高中物理基于傳感器的數字化實驗課堂教學研究

孫天祥　鄒鵬

摘要：為了探討基于傳感器的數字化實驗運用于高中物理課堂教學的時效性、可推廣性，并進一步探討在高中物理實驗教學中數字化實驗教學怎樣與傳統實驗教學有機融合，筆者自2017年10月開始，在許昌高級中學高二年級選定實驗班級與對照班級，將基于傳感器的數字化信息技術運用于高中物理實驗課堂教學中與傳統實驗課堂教學進行跟蹤分析、對照實驗，通過在不同階段對研究對象進行的物理實驗水平測試和問卷調查的方式來收集數據；對收集到的數據進行整理分析，嘗試尋找切實有效的物理實驗教學模式，以達到更好的將數字化實驗融入課堂的目的。

關鍵詞：數字化實驗課堂教學；物理創新研究；傳統實驗課堂教學；有機融合

引言：隨著國家多輪新課程改革的推進，高中物理實驗課堂教學也逐步開始從“應試教育”向著“素質教育”發生著轉變。由原來單純的知識型教學向著加強能力、注重非智力因素培養方面發展。傳統的實驗在儀器、操作、教學方法上已不能完全滿足教學的需要和學生自主能力的需求。以現代科技為基礎的各種教學設施、教學儀器和方法也不斷走進了學校教育，高中物理必須要不斷創新，基于傳感器的數字化實驗系統（簡稱數字化實驗系統）應運而生。基于傳感器的數字化實驗應用計算機、傳感器等技術，實時、動態、準確地得到實驗數據，提高了實驗的精度，節省了實驗時間，培養創新意識，為提高學生物理探究能力創造了強有力的物質條件，為物理教學提供了全新的技術手段和教學平臺。

隨著數字化實驗課堂教學的的不斷實施，相比于傳統的實驗課堂教學，數字化物理實驗的優勢也越來越明顯，它能在整合了真實實驗和信息技術的基礎上，能夠完成包括電磁學、運動學、力學、光學、原子物理及熱學等數百個物理實驗，即時快速、準確的處理各個實驗結果，提高了傳統實驗課堂教學的教學效率，在結合物理實驗和科學技術的基礎上，優化了學生學習的手段，注重學生對物理規律的探究的方法和形成過程。雖然數字化實驗擁有如體積小、易操作、強大的數據處理能力等諸多優點，但傳統實驗也擁有其自身優勢是數字化實驗無法企及的，如傳統實驗課堂教學在培養學生基本實驗技能上有獨到之處，它更加注重培養學生細致、耐心等觀察習慣，重視培養學生正確選擇和使用儀器的能力。傳統實驗還充分培養學生的計算分析能力、利用數學知識解決物理問題的能力和作圖能力。同時對于傳統實驗，特別是一些反應物理現象、解釋物理規律的生動有趣的小實驗，數字化實驗是不能完全取代的。因此，若在課堂教學中將數字化實驗與傳統實驗有效融合，發揮各自教學優勢、克服彼此教學弊端，高中物理實驗課堂教學將迎來高速發展的時代。

1、高中物理數字化實驗課堂教學與傳統實驗課堂教學對比研究

課題組成員在測量工具、實驗操作、誤差分析、教學過程幾個方面對基于傳感器的數字化實驗與傳統實驗上的異同進行歸納，如下表：

通過上述表格分析我們可以看出

1.1傳統物理實驗能有效培養學生各方面基本實驗能力。

1）規范的實驗步驟、嚴苛的實驗條件、精細的讀數規則、正確的搜集處理數據，能有效幫助學生理解實驗原理、構建物理概念。

2）在實驗過程中注重培養學生觀察能力、實驗操作能力、數據處理能力、誤差分析能力等，能有助于培養學生良好的科學品質如耐心的觀察實驗及遇到困難勇于克服的堅強品質等。

1.2、傳統的物理實驗不足之處

1）但是部分器材相對陳舊，一般精度不高，可測量范圍小或根本沒法測量（如電場強度、磁感應強度等），相對于數字化實驗器材測量誤差較大、效率低，使得傳統實驗器材有一定的局限性；

2）同時數據處理時計算過程太過冗長，學生用于探索的時間就少之可憐，往往實驗課結束，部分學生的數據仍未處理完，留在課下又達不到實驗教學的教學目標在探究《牛頓第二運動定律》的時候，往往學生在實驗探究加速度與力、質量關系時，改變實驗操作條件記錄完數據后，已經接近課堂尾聲，留很少的時間去給學生處理數據，更別說探究加速度與質量反比的關系，最終往往教師以講結論來替代學生的探究發現實驗結論，不利于學生自主探究能力和學生創新思維能力的培養。

1.3、基于傳感器的數字化實驗課堂教學較傳統實驗課堂教學的優勢

1）數字化實驗采集數據速度快、精度高、直觀、高效基于傳感器的數字化物理實驗，快速采集、處理數據，精度高、誤差小，大大縮短了學生課堂實驗的時間，把學生從繁雜的人工計算中解脫出來，反而可以將時間充分留給學生進行自主探究。

2）數字化實驗采集到的數據在數量、深度和廣度上相對于傳統實驗有量和質的突破

數字化實驗充分利用傳感器收集各種物理數據，收集到的數據量相比傳統實驗提升了百倍以上，同時其數據量是可調節的，以實用性為主。數據的精度也獲得大幅度的提高。同時一臺計算機可以連接多個測量探頭，在對比試驗研究中省去了重復性實驗操作步驟，方便學生同時獲取多組不同情況下的實驗數據，并分析對比實驗結果得出實驗結論，如在《法拉第電磁感應定律》中，想要探究感應電動勢與線圈匝數的關系時，可以將用兩個傳感器分別測量面積等條件相同而不同匝數不同的兩線圈產生的電動勢的圖像；利用數字化進行探索的過程中，培養學生發現問題、解決問題的能力，養成學生獨立思考和主動探索的習慣，提升了學生對復雜問題的分析能力；數字化實驗計算機自動處理數據擬合圖像，并在計算機上直觀顯示圖像（如牛頓第二運動定律中 關系、關系），有助于學生歸納總結、分析物理關系、得出結論物理規律。

3）數字化實驗課堂教學便于突破教學中的重點與難點，拓展實驗內容，增強學生興趣。

以高中物理必修2——“驗證機械能守恒定律”的課堂教學為例，“重力勢能”、“動能”和“機械能守恒”是教學中的重點和難點，其中“重力勢能”、“動能”和“機械能”都是抽象的物理概念，并且在運功中不斷變化。教科書上的傳統實驗只能設計最簡單的“類自由落體運動”，讓初態“動能”為零，末態“重力勢能”為零，通過簡單計算來研究初末兩個狀態的機械能是否守恒。數字化實驗卻可以在滿足機械能守恒條件的基礎下（只有重力做功），設置各種復雜物理過程（包括拋體運動），可以實時顯示研究對象在運動過程中任意時刻的“重力勢能”、“動能”與“機械能”，讓學生形象理解“重力勢能”和“動能”在實驗過程中的相互轉化以及“機械能”的始終不變。

1.4、數字化實驗課堂教學優點多，但缺點也不容忽視

如傳感器靈敏度高卻造價也高、易損壞、不易保存；實驗操作時，用鼠標點擊“開始記錄”“停止記錄”按鈕即可，使得實驗過程過于簡化，忽略了實驗的中間過程，學生根本不理解數據是怎樣采集出來的，并且削弱了學生的觀察能力、動手操作能力、數據處理能力等；也不利于培養學生堅忍不拔的科學態度與精神。并且對應于部分實驗，數字化實驗無法替代傳統實驗。

通過以上詳細的對比分析，兩者各有各的優缺點，不能一概而論。數字化物理實驗比較方便、科學性較強、實驗誤差小，但對于學生動手能力的培養、實驗分析和觀察能力的培養不夠，傳統實驗不夠精確，花費時間太長，有時實驗結果誤差較大，不易得出相應的實驗結論等等。因此，在高中物理實驗教學中應該揚長避短，融合數字化實驗于傳統實驗教學中，以達到有效提升實驗教學水平的目的。

2、基于傳感器的數字化實驗課堂教學實施原則

2.1、充分發揮基于數字化實驗系統的優勢原則

相比與傳統的物理實驗教學，基于數字化實驗系統的高中物理實驗課堂教學更能調動學生學習的積極性，培養學生的創造思維能力。物理教師應當重視結合教材，從學生實際出發，創新物理教學模式，從而使數字化實驗系統物理實驗的優勢得以充分發揮。例如在進行法拉第電磁實驗教學時，由于這種實驗的精確性和理論性都很強，但是傳統物理實驗數據的準確性和可操控性比較低，所以就需要教師充分利用數字化系統這種集成度較高的實驗設備來提升實驗數據的精確性，并簡化實驗流程，使學生能夠快速完成實驗。

另外，教師還可以打破傳統課堂教學時間的局限性，利用數字化實驗系統的強大的操作功能，創設課外實驗探究，培養學生的創新能力及創新意識。這樣既達到了延續物理實驗課堂的目標，也真正提升了學生學習物理的實驗興趣。

2.2、教學過程體現學生主體性原則

新課程理念下的物理實驗課堂教學，一定要突出學生的主體地位，以充分發展學生的各種能力為本，實驗過程中，以學生自主探究為主、教師講解分析為輔，教師作為引導者，引導學生學會發現問題、提出假設、實驗驗證假設、邏輯推理得出結論的科學探究的方法。同時無論是何種教學方式都應從從學生的需求出發，教學過程中要注重學生的自主探究，給予學生自已設計實驗，收集實驗數據，歸納并總結物理規律的機會。數字化實驗教學也不例外。

2.3、多樣化探究式教學原則

探究式教學的涵義就是以學生為主體，基于提出的問題和學生的經驗，在學生好奇心的驅使下以問題為主導，讓學生參與、體驗、思考，然后針對問題尋求可能解釋的形式多樣的教學活動。

然而每節課的時間是寶貴而有限的，若將將探究式教學的各個環節都經歷一遍也不太現實的，更不利于培養學生科學探究的精神和能力，這也違背了新課程改革的初衷。因而在課堂教學中教師應該根據物理學知識的特點和學生的實際情況恰當選取探究的要素，根據教學內容的特點來決定本節課著重進行探究式教學的哪些要素，從而確定本節課的探究的目標，針對這些目標進行“部分”探究。

2.4、教學設計最優化原則

依據教學最優化理論，優化實驗課堂設計需要考慮三個方面的問題：①是要明確教學的重難點，明白如何利用實驗攻克這些重難點。②是教師要考慮到實驗教學對于整節課的影響。③是要重視深入研究傳統物理實驗教學的不足之處，并思考如何利用數字化實驗來彌補這些不足，從而達到提升數字化物理實驗教學質量的目標。

教學的有效性是數字化實驗系統與傳統實驗進行優化整合的關鍵和根本目的。關鍵還在于教學的最優設計，使基于傳感器的數字化課堂教學更具有效性，以發揮最優化的教學效果。盡管數字化器材有許多方便之處，但不要為了使用數字化而使用數字化器材，如果實驗能利用傳統的器材方便直觀的處理數據、顯示現象、得出結論，再去選用數字化器材就有畫蛇添足之感；因此，實驗方案、實驗器材的選擇應根據實驗的特點、實驗的能力要求、實驗的主要目的去進行選擇，實現教學設計最優化。

參考文獻：

[1]于通超.高中物理電磁學數字化實驗與傳統實驗的整合研究.湖南：湖南師范大學，2016

[2]劉嬌.優化高中物理數字化演示實驗的研究.吉林：東北師范大學，2015

[3]殷帥.基于數字化實驗優化高中物理實驗教學的分析與研究.山東：山東師范大學，2014

作者簡介：

孫天祥（1964.06-），男，漢，河南許昌，本科，中學高級教師，研究方向：物理課堂教學與研究，工作單位：許昌市普通教育教學研究室，郵編：461000。

鄒鵬（1979.04-），男，漢，河南許昌，本科，中學一級教師，研究方向：物理教學理論與實踐，工作單位：許昌高級中學，郵編：461000。