數字化實驗在初中物理實驗教學中的應用研究

■甘肅省天水市張家川縣阿陽中學 余曉峰

一、數字化實驗概念

數字化實驗，別稱DIS。誕生于21世紀初，源于十年課程改革對科學教育的反思。數字化實驗更強調科學探究，強調培養學生的科學素養、創新思維以及實際的探究能力。目前來說，國內大部分中學都配備了專門的數字化實驗室。實驗室里的設備主要有傳感器、電腦、計算機、數據采集器等各種教學輔助材料。數字化實驗室以讓學生真正動手操作為基礎，通過實時的實驗，運用傳感器連接電腦終端進行數據采集，最后再運用計算機內的系統實驗軟件進行數據分析和智能控制。所以傳感器的作用就顯得格外重要。在實驗中，學生通過傳感器將實驗中產生的溫度、力度、距離等因素轉換成可被計算機識別使用的信號數據，再經過系統軟件的分析、計算，最終總結成文。物理探究教學的兩大技術支撐，分別來自傳感器的計算機實時數據采集和計算機數據處理軟件的計算機建模與分析等技術。具體來講，物理教學就是通過借助計算機平臺直觀地顯示物理現象，繼而深刻地揭示物理規律。數字化實驗強調在生活中進行科學學習，有助于學生更加直觀地觀察實驗現象，了解實驗規律，總結實驗結論，有助于增強學生學習物理的積極性。

二、數字化實驗對初中物理實驗教學的意義

（一）數字化實驗的開展，可以提高教師與學生的實驗能力

數字化實驗并不是簡單地搬運課堂知識，而是通過信息技術手段提高教學效率，讓學生更加直觀地了解課堂知識。這對于物理教師來也是一個挑戰、一個機遇，教師在重新備課的同時，還需要設計數字化實驗，意味著教師必須重新學習。新的儀器，新的實驗，新的手段，為教師與學生的教育教學過程做好了充分的準備。

（二）提高學生學習的積極性，培養學生的實踐動手能力

數字化實驗有助于激發學生主動學習知識的興趣，在學生動手實踐的過程中，把課堂知識由簡單的書本文字真正轉化成了自己親眼所見所得的實踐內容。學生擁有了更多的動手操作機會，拓寬了學生探求知識的道路，有利于發揮學生的主體作用，培養學生的創新能力。

（三）有助于形成探究性學習的新模式

探究性學習是以實驗活動為載體，以探究物理規律為基礎，以學生為主體，尊重學生的求學意志的一種可持續發展的教學方法。通過教師與學生進行探究性學習的教學過程，可以激發學生的自主學習意識，提高學生學習的積極性，促使學生有意識地調整自我，進而培養他們的創新能力和學習能力。這種方法還有助于幫助學生深化他們的感知力、想象力，幫助他們清楚自我定位，使他們更好地發揮自我價值。

三、當前數字化實驗在初中物理課堂上開展的局限性

雖然數字化實驗對開展初中物理教學有著非常大的促進作用，但在實際教學中也出現了一些問題。

（一）實驗所使用的配套模板與初中物理教學的課堂內容并不是所有都吻合，初中物理教學使用的配套模板不足，教師雖然可以自制一部分模板，但這遠遠不能滿足所有物理實驗的要求。

（二）數字化實驗并不能完全代替傳統實驗儀器。在傳統實驗儀器里，用溫度計來測量物體的溫度，溫度計本身的刻度和水銀還有酒精，就可以讓學生很直觀地看到溫度的概念，水銀和酒精的升降就可以用來感受溫度的升高與降低，但在數字化實驗里，學生應用傳感器采集數據，是沒辦法直觀地觀察到這些現象的。

（三）數字化實驗中所使用的數字化設備，需要操作人員具備一定的操作能力和數字處理能力。對于初中生而言，他們不管是在操作能力上還是在學習能力上，都無法達到獨立使用設備的標準，這也就需要教師在一旁監管，從側面輔助學生開展實驗。

（四）耗費大量資金，經濟上負擔重。以傳感器為例，傳感器的種類繁多，且用途不同，不同的實驗可能使用的傳感器類型也不一樣，這勢必要求學校采購大量的傳感器以及計算機，這對于經濟不是很發達的地區而言，是一件很困難的事。尤其后期的維修和使用也是一個難題。

四、有效推進數字化實驗的幾條重要途徑

（一）有能力的政府和學校應加大支持力度，促進數字化實驗的發展

數字化實驗對于彌補課堂片面教學的不足，增強學生對教程內容的理解，提高學生的探究能力，有著非同一般的意義，學校和政府應大力支持建立數字化實驗室。尤其有經濟能力的學校，完全可以建立一個完備的數字化實驗室，讓學生可以在更好的學習環境中學習物理。

（二）把數字化實驗和課程內容相結合，重視經典案例的引導作用

要想學好物理，探究時間不能少。但初中物理畢竟是基礎課程，學生都是剛入門，對課程對實驗的把握并不十分準確，加上物理內容又比較抽象，對于學生而言更是難上加難。所以教師在進行教學時，可以運用數字化實驗對經典案例進行重新展現，生動地為學生講解實驗案例。可以采用分組制教學，把學生分成幾個小組，小組之間可以先行進行討論學習，遇到不懂的問題再由教師進行指導，促使學生對實驗現象有更加直觀的認知。例如，在探究電磁鐵的磁場感應實驗中，教師與學生可以用磁感應傳感器來觀察周圍磁場強弱的變化，這樣一來，比較抽象的磁場意義，通過磁場傳感器就能很明確地展示出來。圖像的展示，更方便學生進一步提高對實驗的觀察能力和分析能力，這是語言無法做到的，教師在講臺上講再多，都不如學生親自參與實驗獲得結論的效果好。教學內容也由過去的贅述不明，到現在的嚴謹科學，有利于學生進一步提高自己的認知能力。

（三）結合現實生活，用實驗連接生活與科學

物理知識是比較抽象的，但是通過教師帶領學生做一些簡單的物理實驗，便可形象生動地讓學生理解課程內容。尤其是物理知識與生活中一些生活現象掛鉤，學生本來想不到，但在實驗的引導下，學生很快就能將他們學到的課程內容與現實生活所掛鉤，有助于他們把文字版的課堂內容物化成他們所看到的生活現象。

（四）數字化實驗與虛擬實驗相結合

推行數字化實驗，并不意味著全盤否定傳統的實驗方式。因為數字化實驗也存在著一部分不能觸及的領域，初中物理的教學需要多種實驗教學方式共同進行。例如，在初中物理實驗的課堂上，教師給學生講解聲波傳遞范圍的知識時，可以先在媒體上下載一些虛擬聲波設備，然后再進行聲音傳播范圍內容的測試。學生可以從多媒體上的軟件窗口中觀察聲波的波形變化，也可以通過觀察數據的變化來判斷聲音的遠近。在對比不同兩段聲音的特點實驗中，可以將同一個發音體兩次發出的不同聲音錄進電腦，觀察并對比他們的波形變化，以此來判斷這兩段聲音的振幅和頻率。將數字化實驗與虛擬實驗進行結合，是為了更好地幫助學生理解物理知識，也有助于完善教師在課堂上的實驗教學的方式。相信這種方式不僅可以幫助教師和學生更輕松地進行教學內容的探討，也有助于促進初中物理教學改革的推進。

五、結語

經過研究發現，在初中物理課堂上實現數字化實驗，不僅有助于激發學生主動學習物理知識的積極性，還有利于充分培養學生的動手能力與實踐能力。利用現代化信息技術輔助現代教育是大勢所趨，數字化實驗對初中物理實驗教學有著重要意義。雖然當前數字化實驗的實際應用還存在著許多問題，但相信在廣大教研人員的共同努力之下，數字化實驗的普及程度會越來越高，必將對初中物理教學產生越來越深遠的影響。