管窺數字技術在物理實驗教學中的應用

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管窺數字技術在物理實驗教學中的應用

◇山東董曉臻

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學,《普通高中物理課程標準(實驗稿)》中明確指出:“物理實驗是高中物理教學中的重要內容” “重視將信息技術應用到物理實驗室,加快中學物理實驗軟件的開發和應用,諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據,分析實驗結果等”．

對于以實驗為基礎的物理學科而言,當前改革是緊緊圍繞物理實驗進行的．自2003年朗威DISLAB數據采集器正式推出起,研制開發的應用于物理實驗教學的傳感器數字技術產品大批量涌現，傳感器和數字化處理系統的結合為物理實驗教學提供了全新的技術手段和平臺,使物理實驗教學翻開了嶄新的一頁．

1數字化實驗系統在實驗教學中的應用

1.1采集一些瞬時性的物理量

受實驗器材限制,一些變化很快的物理量的瞬時值通過傳統的實驗器材是很難測得的,例如摩擦力的變化、瞬時速度、瞬時力(作用力和反作用力的關系)等．現在我們采用以傳感器為核心的數字技術,非常簡單地就能夠得到這些數據,給學生以非常直觀的認識，彌補傳統實驗的不足．如圖1就是利用傳感器得到的物塊和木板間摩擦力的變化關系;而圖2是在探究作用力和反作用力關系時,利用傳感器技術得到的2個力瞬時對應關系．它們都給學生以非常直觀的認識，而在傳統實驗中這種瞬時關系是我們很難得到的．

圖1　　　　　　　　　　　　　圖2

1.2快速進行數據處理和分析

傳統實驗中,尤其是課堂演示實驗,很難進行復雜的數據處理性實驗,只能演示一些定性分析性實驗.現在應用數字技術,采集完數據后,利用智能處理系統,可以自動處理數據,包括繪制物理量關系圖線．例如,學生在探究加速度與質量的關系實驗時,利用傳感器采集數據,利用智能處理系統計算機可以瞬間擬合成圖象,省去作圖時間．尤其是在課堂演示實驗中,將學生從煩瑣的數據處理過程中解脫出來后,師生可以把精力從簡單數據處理層面上轉移到分析較深入的數據內在聯系上．

2虛擬實驗系統在實驗教學中的應用

虛擬實驗就是利用計算機虛擬現實實驗．它將實驗儀器、實驗環境、實驗環節等全部在計算機仿真系統中利用技術生成，是計算機虛擬現實技術在教學上的一個重要運用．它既可以仿真傳統實驗,也可以仿真傳統實驗室無法達到的特殊環境,例如高溫、強電、強磁、高能粒子、空間實驗等．使用者帶上相應數據傳感設備,比如特殊的頭盔、手套等,就可以進入虛擬的實驗環境中,操作虛擬環境中的各種虛擬的實驗器材,進行相應的實驗．可以預見,虛擬現實技術的迅猛發展,必將引發物理實驗教學的深刻變革．

2.1為真實實驗前期準備

學生通過虛擬實驗了解實驗器材、實驗內容和實驗過程．在實際操作時就可以根據虛擬操作中出現的問題,做適當的調整、注意和規避，從而提高實驗教學效果和減少不必要的設備損失．

2.2較為容易地擴充實驗教學內容

學校只需要購買相應的軟件構建成虛擬實驗室,而不必用大量的資金去添置實際設備．這樣做既能夠節省資金,又給實驗教學本身以更大的自由度，既涉及以前教學實驗無法涉及的領域,也給予學生更大的學習空間,激發他們的想象力、創造力，同時教師在設計實驗教學時也有更大的選擇空間．

2.3模擬特殊環境

模擬的特殊環境有高溫、強電、強磁、高能粒子、空間實驗等．這樣的環境在傳統實驗中我們是無法在其中完成相應的實驗探究的,但在虛擬環境中學生就能夠借助傳感器完成相應的實驗課題．

隨著教育技術不斷革新,筆者相信數字技術在物理實驗教學中的應用也會越來越廣泛,未來的課堂教學數字技術必然會大行其道,在物理實驗教學中也將具有舉足輕重的地位．數字技術和傳統實驗二者有機結合,也為我們的實驗教學設計提供了更多的可能．

(作者單位：山東省濰坊市濰坊濱海中學)