漫談數字化輔助下的高中物理實驗教學

張 蕾，杜曉靜

（長治學院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

1 引言

隨著科學技術的不斷進步和教育改革的不斷深入，信息技術與物理學科教學的結合也更加的緊密，數字化實驗教學正在改變著實驗教學的傳統模式。高中物理教學中實驗教學占據著重要的地位，《普通高中物理課程標準》明確指出：“重視將信息技術應用到物理實驗室，加快物理實驗軟件的開發和利用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據、分析實驗結果等”。文章通過選取長治市某中學高二兩個班級，分別將其在傳統實驗室環境下與數字化實驗室環境下進行《測量電池的電動勢與內阻》的實驗教學，對比研究各自的優缺點，從而探討如何更好實施數字化實驗室環境下的實驗教學。

2 傳統實驗與數字化實驗的對比分析

為了探討在高中物理中傳統實驗教學與數字化實驗教學的優缺點，分別在傳統實驗室與數字化實驗室對長治市某中學高二兩個班級進行《測量電源的電動勢與內阻》的實驗教學。

2.1 實驗器材對比分析

傳統實驗教學的實驗器材有一節干電池、電壓表、電流表、滑動變阻器、開關、導線，如右圖所示連接。數字化實驗教學的實驗器材是實驗接口箱（HPCI—1 01）、串口電纜、接口箱電源線（HPCI—1 19）、直流電路實驗板（HPCI—1 24）、電壓傳感器 B（HPCI—1 14）、電壓傳感器 E（HPCI—1 17）、滑線變阻器、可調直流穩壓電源。

傳統實驗教學中實驗器材簡單，物理思想清晰，能幫助學生更好的掌握物理知識。數字化實驗教學對實驗器材要求較高，配備齊全需要一定的資金投入。

2.2 實驗中理論部分講解對比分析

圖1 傳統實驗教材

無論是傳統實驗教學課堂還是數字化實驗教學課堂，在講解實驗理論時不僅要講清楚閉合電路的歐姆定律，還要講清楚內接法和外接法的適用條件以及數據處理的方法，即圖像描點法。傳統實驗中需要學生根據外接電阻大小自主選擇電路接法。數字化實驗是通過計算機進行實時測量，計算機輸入阻抗很大，所以不同的接法對實驗的結果影響不大，外接、內接均可。

2.3 實驗操作部分對比分析

學生在傳統實驗教學課堂中連接電路時會出錯，在選擇電路接法時容易犯糊涂，需要教師檢查無誤后再通電以確保安全。整個實驗操作部分占據了大部分的課堂時間。

數字化實驗教學中，學生按老師引導連接好儀器，打開“HPCI—1物理實驗微機輔助教學系統”軟件，按照實驗原理連接好電路，輸入取樣電阻，點擊“采集數據”即可完成。移動滑線變阻器后重復采集數據。整個實驗操作簡單便捷，耗時少。

2.4 數據處理對比分析

傳統實驗教學采用圖像法進行數據處理，原理簡單、易理解，但在實際計算中誤差較大，反而影響了對全電路歐姆定理的理解和認識。數字化實驗教學中圖像直接由計算機擬合，并計算出電動勢和內阻，如圖2所示。

圖2 軟件測量操作界面

2.5 教師課堂反思對比分析

整個傳統實驗教學課堂耗時較長，教師主要精力用于檢查和指導實驗操作，教學重點是學生的實操能力培養。數字化實驗教學課堂操作簡單，用時較少，能很好的將教學重點放在理論講解和實驗探究上。

2.6 學生反饋對比分析

傳統實驗教學中，學生全方位參與到實驗過程中，感受到了實驗的樂趣。但課后數據處理計算量大，且結果誤差較大，不利于對實驗原理的認識。數字化實驗教學中，學生能深刻理解閉合電路歐姆定路和實驗原理，但對內接法和外接法認識不夠，無法實現知識的遷移應用。

3 數字化環境下高中物理實驗教學模式存在的問題及對策

3.1 數字化環境下高中物理數字實驗教學模式的問題

數字化物理實驗教學模式是對傳統物理實驗教學模式的變革，它既符合信息化時代對學校教育提出的要求，又符合國家教育信息化戰略的需要。但是，一種新的實驗教學模式要在實踐中實施必定會遇到許多的困難。

首先是數字化實驗室與傳統的實驗設備的融合問題。數字化環境下的實驗利于培養學生科學探究和思維能力，而傳統實驗室環境下進行實驗則更有利于培養學生的實際操作能力和對實驗數據的處理能力。很明顯，如果能夠將二者進行有機融合，則可有效提高實驗教學的效果。其次，數字化環境下高中物理實驗教學模式的關鍵是教學設備。一套完整的數字化實驗室設備，動轍需要投入幾十萬甚至上百萬，對一般中學而言的確難以承擔。盡管國家、地方政府和學校已經在很努力的增大資源配置，但數字化實驗設備的配置仍然不夠，如果基本的教學設備都無法配備，那么數字化高中物理實驗教學將很難進行。

3.2 改進高中物理數字化實驗的策略

根據上述發現的問題，需要采取相應的對策提高數字化物理實驗的有效性。

第一，使教師意識到數字化環境下高中物理實驗教學資源的重要性。在高中物理課程資源中，實驗教學資源占有很大的比重。然而由于當前大部分教師對實驗教學資源不夠重視，致使學生僅限于物理知識理論層面的學習，這使得學生在學習物理知識時會感到非常吃力，因此非常有必要提高教師對實驗教學資源的重視。教師要充分了解數字化物理實驗教學資源，從而更好促進自身專業化發展。

第二，教師應具備數字化觀念與數字化能力。數字化能力包括數字化教學、合理運用數字化教學資源等方面的能力。通過實踐應用，教師的數字化觀念會逐漸轉變。然而數字化能力的形成是以一系列條件為基礎的，首先需要加強教師的數字化實驗技能；其次可以使教師觀摩數字化物理實驗教學，真正體會到數字化高中物理實驗教學模式的不同之處。教師要主動去學習這種新興的實驗教學模式，從而更好地促進數字化實驗教學的發展。

第三，建立數字化高中物理實驗教學績效評估機制，促進數字化高中物理實驗教學可持續發展。當前迫切需要解決的問題是如何評價數字化實驗教學的效果。需要從兩個方面對實驗教學過程進行評價：其一是在數字化高中物理實驗教學中教師的數字化教學能力；其二是在數字化高中物理實驗教學中學生的學習能力。通過對教學過程的合理評價，使數字化實驗教學得以持續發展。

4 結束語

現代科學技術以及教育的快速發展，使得數字化實驗室在高中物理實驗教學中的作用日趨明顯。數字化實驗教學是對傳統實驗的有益補充，是一種新的學習方式。這就意味著我們既要發展數字化高中物理實驗教學，但也不能完全摒棄傳統物理實驗教學。二者各有其特點，將二者更好的結合起來會使得高中物理實驗教學煥發出新的生機。