關于高中物理傳統實驗與數字化實驗融合的深思

莫君榮 陳大軍

（安徽省廬江中學，安徽合肥 231500）

引 言

數字化實驗是指以傳統實驗技術為基礎，通過數字化設備演示操作、采集和處理數據，通常由傳感器、數據采集器、計算機及相關數據處理軟件等構成。當前，數字化實驗室日益普及，高中物理教師要認清傳統實驗和數字化實驗間的關系，通過融合創新實驗教學內容與形式，利用真實操作和形象的數字圖形表達物理規律，提高學生的動手能力與思維水平[1]。

一、提高測量性能，減小誤差

在高中物理實驗教學中，實驗出現誤差是不可避免的，其按照原因可以分為系統誤差和偶然誤差兩類。在傳統實驗中，測量儀器各個部分存在變形、間隙等風險，操作時測量力的變化或環境波動，以及人工讀取與記錄數據，均會影響實驗結果[2]。數字化實驗設備能夠自動采集數據，從而減小因讀數引起的誤差，甚至基本消除。高中物理教師要將傳統實驗與數字化實驗相融合，提高測量性能，減小誤差，帶給學生更為真實與準確的數據，幫助他們準確認識物理原理。

例如，在開展“牛頓第二定律”教學時，教師可以先帶領學生回顧牛頓第一定律的相關知識，并設疑：“為什么說‘船大難調頭’？”學生知道物體質量越大，運動狀態越不容易改變，猜想到加速度同物體的質量有關。此時，教師可以設疑：“物體運動時加速度與質量、受力之間到底有怎樣的關系？”從而引出實驗主題。接著，教師演示牛頓第二定律的傳統實驗，啟發學生研究a、m、F三者的關系，結合控制變量法來探究。當測小車受到的力時，教師可以引入數字化實驗設備——力傳感器，使其代替勾碼，測出小車受到的拉力，提高測量性能和減小誤差，改進傳統實驗裝置。之后，教師指導學生借助力傳感器和其他器材設計和討論實驗，通過測量彈簧彈力讓砝碼產生的加速度動態過程總結牛頓第二定律的規律，帶領學生研究加速度同力、質量的關系。

二、有效節省課堂時間

在高中物理課堂教學中，教師如果一味地運用傳統實驗，將會占用大量的課堂時間，特別是測量量化的數據時，有限的時間通常會成為制約教學規劃的因素[3]。因此，高中物理教師可以把傳統實驗與數字化實驗有機融合，以數字化實驗設備中的傳感器為載體，快速進入實驗階段，利用電腦CPU來計算、分析和處理實驗數據。

以“電池電動勢和內阻的測量”教學為例，當用伏安法時，教師應先選擇恰當實驗器材，結合電路圖正確連接實驗電路，閉合開關，接通電路，調節滑動變阻器滑片的位置，讀出電流I和電壓U的值，重復5 至6 次，要求學生列表記錄數據，使其利用U—I圖像法處理記錄的數據，指導他們求出電源的E與r。接著，教師連接數據采集器和計算機，把電壓、電流傳感器分別插入數據采集器的第一、第二通道，點擊“當前脫機”按鈕，讓系統由“當前脫機”狀態切換至“當前聯機”狀態，電壓、電流傳感器短接后一起校零。隨后，教師設置實驗屬性，條件是“單點采樣”，采集頻率是“20Hz”，時間為“60s”，結合教板上的電位器開始實驗，結束后自動生成一條擬合直線，省掉讀數、記錄和作圖的時間，快速獲得實驗結果。

三、優化學生觀察效果

實驗的最終目的是為學生提供更全面和更多的觀察機會，使其有效感悟、分析和掌握物理理論知識。在高中物理課程教學中，教師可利用傳統實驗沖擊學生的觸覺、視覺和聽覺等感官，使其對探究內容獲得初步感知，再借助數字化實驗設備的優勢，從瞬間運動變化、時間尺度與空間尺度等方面改進實驗，增強實驗的直觀性和宏觀化，優化學生的觀察效果。

例如，在實施“互感和自感”教學時，針對自感現象的觀察，教師可以先按照教材中給出的實驗方案來演示實驗，利用可拆變壓器設計電路做斷電自感實驗，要求學生認真觀察實驗現象。在這個實驗中，雖然學生可以看到兩個燈泡在亮暗度上發生變化，但是實驗現象不夠明顯，學生無法直接獲得電流方向。此時，教師可以使用數字化實驗系統演示自感實驗，把課本中的兩個實驗合并在一起完成，實驗電路圖如圖1所示。

圖1

在這個閉合與斷開開關的過程中，數字化實驗系統軟件得到兩條支路電流變化曲線，其使用的頻率是200Hz，即使電流很小無法讓小燈泡變亮時，學生也能通過電流傳感器采集到的數據進行分析和討論，清晰地看到感應電流的整個變化過程，觀察與歸納規律。

四、確保實驗內容完整

在高中物理教學中，教師運用傳統實驗時，針對部分暫態變化與微小變化過程，很難直觀、完整地將其呈現出來，每次實驗僅僅得到一個“點”的數據。而數字化實驗能夠在一系列快速動態化的實驗中呈現出多個“數據點”，且使其連成“一條線”，甚至是反復出現。對此，高中物理教師在課堂教學中，可以先用傳統實驗獲得一個“點”，再結合數字化實驗采集整個實驗過程的數據，以確保實驗內容的完整，輔助學生形成真實、全面的認知。

例如，在教學“牛頓第三定律”中，教師可以先與學生一起比賽拍掌，看誰拍出的聲音最大，并隨機提問學生討論個人感受，很多學生會說兩只手都拍疼、變紅了。這時，教師可以引導其分析產生這一現象的原因，使其初步體會到兩只手之間存在作用力，且是相互成對地出現。接著，教師可設置問題：“作用力和反作用力的大小、方向有什么關系？”引導學生提出猜想：“大小相等、方向相反。”接著，教師要指導他們操作傳統實驗：讓兩個水平彈簧秤對拉，第一次靜止拉，第二次勻速直線運動狀態下拉，第三次加速直線運動狀態下拉，觀察兩個彈簧秤的讀數同時變化、讀數相等、拉力方向相反的現象，驗證猜想。之后，教師用力傳感器操作數字化實驗，通過多個力更為真實、精確、完整地呈現作用力和反作用力的關系，讓學生看到數據圖像上下完全對稱，使他們進一步驗證猜想。

五、做好定量實驗研究

高中物理教學中涉及的實驗以啟蒙性為主，大部分屬于定性的觀察類實驗，定量實驗的數量并不多，而且對精準度的要求不高。但是，物理知識具有典型的自然科學性與客觀性，自然規律的精確性離不開定量實驗的驗證和研究，這關系到學生科學素養的形成，以及完整知識體系的建立。高中物理教師可把傳統實驗與數字化實驗相融合，將定性的傳統實驗升級成定量研究，帶領學生體會物理學的研究方法，鍛煉與提高他們的學習能力。

例如，在進行“電容器的電容”教學時，當講到電容跟哪些因素有關時，教師可以先拿出一個平行板電容器，提出問題：“電容器的電容是一個與電量、電勢差無關的物理量，它的大小是由電容器本身的結構所決定的，那么電容器的電容跟電容器結構的哪些因素有關？”然后帶領學生參考書中實驗和錄像分析，通過控制變量法利用數字電容表操縱實驗，獲得實驗結果。

接著，教師使用數字化實驗系統操作，快速獲得實驗中電壓、電流隨時間而發生變化的圖像，指導學生通過對積分的運算來獲取電量的數值，由此驗證電容公式C＝Q/U的正確性，從而把定性實驗升級成定量實驗。當學生較為全面地認識了電容器的工作原理后，教師還可以通過對圖像細節進行分析，使其了解日常生活中電容器在延時、儲能等方面的運用。

六、各自發揮優勢

教師要根據具體教學需求因“實”制宜，合理分配傳統實驗和數字化實驗的比例，發揮各自的優勢與長處，推動教學任務的順利完成，提高學生的學習效率。這就要求高中物理教師科學地融合傳統實驗與數字化實驗，統籌安排實驗教學，達到優勢互補、取長補短的效果，全力打造實效性課堂。

例如，在“氣體的等溫變化”教學中，教師可以先組織學生操作傳統實驗：一名男生和女生比賽吹氣球，男生的氣球塞進一只礦泉水瓶中，吹氣時反扣在瓶口上，女生正常吹，最終男生無法吹破，女生則輕松吹破。然后，教師可以借勢設疑：“瓶內氣體壓強對把氣球吹大有無影響？說明什么？”引導學生研究一定質量氣體在溫度不變時壓強與體積的定量關系。學生結合實驗討論發現，氣球與瓶子之間的氣體體積變小，壓強增大，反之體積變大，壓強減小。接著，教師布置探究任務：一定質量氣體在溫度不變時壓強與體積的定量關系。教師要為每個小組分配一臺裝有DIS 系統的計算機、數據采集器、壓強傳感器與配套注射器，指導學生操作數字化實驗，由注射器的刻度讀出氣體體積，通過操作鼠標由計算機讀出氣體壓強，且自動生成p——V和p——1/V圖像，從而得出壓強與體積成反比關系的結論。

結 語

在高中物理教學活動中，教師既要認識到傳統實驗是長期的經驗積累，又要積極融入數字化實驗，只有做到兩者的完美融合、各展所長，才能為學生帶來更為真實、直觀、精確、全面的實驗內容，幫助他們學習好理論知識，優化整體教學成效。