基于微課的物理數字化實驗開發

【摘要】：數字化實驗將實驗數據數字化，在真實實驗的基礎上實現信息技術與實驗教學的整合，在很多方面適合中小學的生理、心理需求，但是數字化實驗設備在一定程度上很難實現大范圍的普及。微課是一種以微視頻為主的多種教學資源構成的微型網絡學習課程，以微課的形式錄制數字化實驗能擴大數字化實驗的普及面，讓數字化實驗惠及更多的中小學生。

【關鍵詞】：數字化實驗;微課;摩擦力

1前言

數字化實驗其實驗手段是通過傳感器把各種感受到的信號轉化為電信號，再經過處理以及分析，最終以數據圖表等的形式實時展現出來。數字化實驗在充分發揮信息技術優勢的同時保持了實驗的真實性，進而憑借“促進學生認知、提高課堂效率”的顯著作用而獲得了教育專家的高度認可[1]。但是由于教學資源有限，部分地區的學校未能配備數字化實驗室。

因此將數字化實驗與教學結合能提高教學效率，并以微課的形式錄制數字化實驗能擴大數字化實驗的普及面。

2數字化實驗的概念

數字化實驗是利用傳感器、數據采集器和計算機進行的真實實驗系統，能夠更好地進行實驗信息的獲取和呈現[2]。在半個世紀之前，國外已經開始使用數字化實驗的相關教育產品，比如美國PASCO公司產生的數據采集系統，而我國在這方面起步較晚，直到二十一世紀初，上海、北京、天津等經濟發達地區逐漸發展了數字化信息系統并應用與中學教學過程中。在本文中采用的數字化產品是由上海市中小學數字化實驗系統研發中學和山東省遠大網絡多媒體有限責任公司共同開發的朗威DIS實驗室，DIS（Digital Information System）實驗是數字化信息實驗系統的簡稱[3]。

3微課的概念

微課是一種以微視頻為主的多種教學資源構成，并在教學應用實踐過程中不斷“生長”而成的微型網絡學習課程，它是在web2.0時代隨著新技術（主要是無線寬帶技術、網絡視頻技術等）和新媒體（如智能手機、平板電腦、上網本、筆記本電腦等便攜式智能化數字終端設備的普及）的迅速發展以及廣大用戶對學習方式多樣化（如自主學習、個性化學習、按需學習、合作學習、移動學習、遠程學習、泛在學習等）的迫切需求大背景下應運而生的，它的出現順應了時代發展的潮流[4]。微課作為一種新興的教學資源，提高了課程資源的可用性，在一定程度上可以緩解教學資源分布不公平的現象。雖然微課的發展時間還很短，但是在短時間內得到了中小學教師、高校教育專業人員的支持。

4數字化實驗與微課的現狀

雖然DIS實驗系統有創設并提供經典、形象、直觀而出人意料的問題情境，動態模擬相關物理過程，對學生的視覺產生刺激，產生強烈的認知沖突，激發學生的學習熱情，引發學生進行理性思考，提高學生學習熱情與實驗教學的效率等優點[5]，但是現階段DIS實驗儀器并不是基層中小學都具有的。DIS實驗課程是一門嶄新的課程，研究者需要認真學習課程標準及相關理念，制定具體教學目標，研究DIS技術開發新實驗，還要積極備課將最終的成果以微課的形式展現出來[6]。

4教學上的應用

4.1 摩擦力

摩擦力是物理力學基礎知識，由于摩擦力問題的復雜性，在教學中該節課實際是一節科學探究課，以探究靜摩擦力大小且靜摩擦力存在最大值，滑動摩擦力大小與哪些因素有關為主線[7]。傳統的實驗是采用手拉彈簧測力計，這種方法一是很難控制手的勻速運動，二是實驗數據很難實時的展現在學生面前。因此筆者通過朗威DIS實驗系統得出靜摩擦力的大小和變化以及滑動摩擦力大小的影響因素。筆者在數字化實驗的基礎上錄制微課，得到微課資源可以增加微課的校本資源。

4.1.1實驗儀器及原理

實驗需要的材料有朗威DIS實驗系統、導軌、重物、滑塊等。

實驗原理為當啟動導軌側面的開關，左邊的細繩就會拉動滑塊向左運動，對于滑塊上的重物而言，它相對于地面保持相對靜止，因此重物受力平衡。重物除了受到向右的繩的拉力F外，還受到一個向左的摩擦力f，拉力與摩擦力大小相等，方向相反。力傳感器以及數據傳感器聯合起來將細繩的受力變化情況顯示在電腦，學生就可以看出重物所受摩擦力的變化并且可以對電腦上所顯示的數據進行分析處理。

4.1.2實驗步驟

首先選擇的是重物的光面與滑塊接觸，選擇一個重物，進行實驗，然后逐漸改變重物的重力進行多次實驗，第二次選擇重物的糙面與滑塊接觸，同上，逐漸改變重物的重力進行多次實驗。然后在電腦上對數據進行處理。

4.1.3實驗結論

首先是靜摩擦力，由圖分析可得：一開始靜摩擦力增大，在某一瞬間達到最大值，然后，重物與木板發生相對運動，摩擦力稍有減小，變成滑動摩擦，大小保持不變。總結數據可以得出的規律為：當相互接觸且相互擠壓的物體保持相對靜止時，靜摩擦力的大小和方向會隨外力而改變，并且存在最大靜摩擦力，最大靜摩擦力比滑動摩擦力稍大。

再者是關于滑動摩擦力的數據情況，由圖可知，當接觸面為光面時，點擊“線性擬合”，發現所有數據點都在擬合線上或擬合線附近，說明滑動摩擦力的大小與壓力成一次函數關系，直線不過原點是因為還有其他阻力或外力影響。若忽略其他阻力和外力影響，直線會過原點，說明滑動摩擦力的大小與壓力大小成正比。當接觸面為糙面時，點擊“線性擬合”，圖線與接觸面為光面時的曲線相似，但直線的斜率比之前的大。總結數據可以得出的規律為：滑動摩擦力的大小與接觸面間的壓力大小成正比，并且與接觸面的粗糙程度有關，壓力大小不變時，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大。

參考文獻：

[1]田偉. 巧用DIS實驗激發學生學習物理的興趣[J]. 教學儀器與實驗， 2015， （2）：60-62.

[2]張婷. 數字化實驗影響學生概念改變的研究[D]. 南京師范大學， 2015.

[3]王峰. 基于DIS的高中物理教學的實踐與探索[D]. 南京師范大學， 2007.

[4]胡鐵生， 黃明燕， 李民. 我國微課發展的三個階段及其啟示[J]. 遠程教育雜志， 2013， （04）：36-42.

[5]陳國平. 數字化實驗系統（DIS）在物理演示實驗教學中的應用[J]. 中國電化教育， 2012， （2）：96-100.

[6]張溶菁. 《物理新教材DIS實驗教學中學生實驗能力培養的實踐研究--DIS校本課程的開發與實踐》結題報告[C]// 第十五屆華東六省一市物理學會聯合年會. 2010.

[7]章強， 龐惠華. “摩擦力”實驗設計的改進[J]. 物理教師， 2012（11）：39-40.