高中物理數字化實驗與傳統實驗的對照研究

程新陽

【內容摘要】通過對高中物理數字化實驗與傳統實驗的對照研究，驗證現代信息技術在高中物理課程教材中應用的優勢性，即在高中物理新課程教材中補充了大量的數字化實驗，通過信息技術和物理教學整合的情況下提升了高中物理課堂教學效率。

【關鍵詞】高中物理 數字化實驗 傳統實驗 對照研究

物理是一門以實驗為基礎的學科，數字化實驗在物理實驗教學中你的引入是物理實驗教學模式創新的一種重要體現， 對提升高中物理課堂教學成效起到了十分重要的作用。為此，在高中物理傳統實驗教學中需要教師結合實際在其中融入數字化實驗，從而不斷提升高中物理課堂教學成效。

一、數字化實驗

物理數字化實驗操作由實驗器材、實驗傳感器、數字采集器、電腦、顯示屏五個部分組成，其中，實驗儀器是物理實驗操作所必備的器械；傳感器用來采集物理學的光、熱、力等非電學信號；數據采集器是連接傳感器和計算機設備的信號轉換設備；計算機是對信息進行處理的設備。數字化實驗在應用計算機、傳感器等現代信息技術的情況下能夠進一步提升物理實驗的精準性。

二、高中物理數字化實驗與傳統實驗的對照

1.實驗檢測功能的對照

第一，信息的獲取和變換功能。數字化實驗獲得的信息密度大、速度快、靈敏度高、受外界環境干擾小、計量單位能夠隨意變換。傳統物理實驗儀器獲取信息的靈敏度和密度較低，且受外界環境的干擾大。第二，信息運算和保存功能。數字化實驗具備較強的信息運算和管理功能，在使用的時候能夠實時的保存連續信息。傳統物理實驗儀器則是以人力計算為主要形式，且只能對簡單的“點”信號進行記錄和存儲。第三，信息的顯示和操作功能。數字化實驗系統信息顯示具有表格、圖像、數值等多種呈現形式，顯示功能強大，記錄便利、完整。傳統實驗儀器則是一種模擬顯示方式，操作動作較慢，在使用的時候具有滯后性和不完整的缺陷。

2.實驗檢測性能比較

第一，靜態性能。靜態性能是儀器明確度，在不考慮誤差的情況下，同一類別測量儀器分度數值和分辨力和精確度呈現反比的關系。常見的幾種數字化實驗系統和傳統測量儀器分度值如表一所示。第二，動態性能。動態性能是在瞬時出現的實驗儀器性能。數字化實驗要比傳統實驗的動態性能良好。比如在人教版高中物理力學的學習中，教學重點是猜想加速度a和力F、質量m之間存在怎樣的關系？速度、力和質量存在怎樣的關系？

（1）應用高中物理數字化儀器探究在質量不變情況下，加速度和力的關系

①應用天平秤裝有位移傳感器小車的質量；②應用彈簧測力計測量出小桶放置砝碼的重力，將其作為小車收到的拉力。③在軌道擁有滑輪的一邊安裝位移傳感器接收器，將其和數據采集器連接，用繩子連接小車；④開啟電源，運行數字化實驗軟件，點擊加速度和力的關系，釋放小車，測定加速度；⑤保持小車的質量不發生變化，改變鉤碼數量反復進行實驗測量；⑥處理實驗數據，得到結論。

（2）應用高中物理傳統實驗探究在質量不變情況下，加速度和力的關系

在傳統實驗中準備器材電火花打點計時器、紙帶、小車、天平、滑輪木板、小車、小桶、彈簧測力計。①調節天平，測量小車的質量，應用彈簧測力計測小桶里砝碼重力，將結果作為小車的拉力；②將木板放在實驗臺上，調節模板，讓小車在木板上處于一種靜止狀態；③實現小車末端和紙帶的連接，在前面系好繩子，繩子跨過定滑輪連接一個鉤碼，紙帶穿過打點計時器；④打開電源，釋放小車，在小車的帶動下，打點計時器在紙帶上留下了一系列的點；⑤小桶中增加質量大的砝碼，重新進行以上的實驗；⑥利用紙帶計算加速度，記錄數據，填好表格，如表二所示。根據表二的數據繪制出圖一a-F圖像，得出結論，在允許的誤差范圍中，物體質量達到一定數額的時候，加速度和所受的外力呈現正比關系。

3.實驗時間比較

傳統實驗操作一般需要占用較長的時間，特別是在量化數據測量的時候，時間成為約束課堂教學實際和課程實施的關鍵。數字化實驗中的傳感器在作為實驗載體之后，提升了實驗階段的操作效率。電腦CPU作為實現計算主體之后，實驗數據的處理和分析效率也會相應的提升。另外，對于一些需要緩慢操作的實驗來講，從實驗的完成速度來看，數字化實驗的手段要比一般實驗手段先進。

4.觀察結果的比較

物理實驗操作過程中需要進行相應的觀察，通過觀察讓學生獲得更多物理知識，獲得物理學習體驗。在傳統物理實驗中，數據、過程、結果等都是憑借人的感官來是實現的，存在較大的誤區。一些細微的空間變化、時間尺度等都會干擾實驗結果。數字化實驗則是能夠進一步延伸和優化人的感官。

5.實驗完整性和真實性的比較

在傳統物理實驗中，一些微小的變化是很難被捕捉和展現的，在一般情況下，一次實驗操作往往只能得到一個“點”的數據，數字化實驗則是能夠在一系列的實驗過程中展現多個“數據點”，在將這些數據點連接之后會形成“數據線”。

結束語

綜上所述，數字化實驗系統的打造能夠進一步改善傳統實驗裝置的不足，且能夠為角度測量、力學計算等提供相應儀器的支持，進而提升高中物理課堂教學成效。基于現階段和數字傳感器相適應的新型實驗器材較少，且一些傳統實驗器材在使用的時候沒有實現和實驗器材的匹配。需要相關人員結合物理教學實例進一步加強數字化實驗系統和學科教學整合的研究，從而進一步提升數字化實驗的利用率。

【參考文獻】

[1]竺春陽，沈敬偉.高中物理數字化實驗與傳統實驗的比較研究[J].物理教學，2013，35（5）：19-22.

[2]于雷.數字化實驗怎樣與傳統實驗相結合[J].實驗教學與儀器，2012，29（5）：7-9.

（作者單位：江蘇省清浦中學）