數字化實驗儀器在農村高中物理實驗和教學中的應用研究

莫君榮 袁國道

摘要：隨著科技水平的不斷提升，數字化實驗儀器在農村學校中逐步得到裝備，它可以測量動態信息，計算復雜的數據，解決傳統實驗教學中無法解決的問題，大大提升了課堂教學的質量和效率。本文將從數字化儀器在教學中的優勢出發，具體分析數字化儀器在教學中的應用策略，希望能夠為農村高中物理實驗和教學提供一定的參考與借鑒價值。

關鍵詞：高中物理 數字化實驗儀器 實驗教學

數字化實驗儀器是建立在數字化操控和測量技術為基礎上的實驗儀器，由傳感器、數據采集包、試驗軟件包和計算機幾個部分組成，具有精度高、速度快、自動化等特點。21世紀初期，我國部分地區的高中學校開始嘗試將數字化實驗儀器應用在物理實驗和教學中，傳統實驗儀器無法解決的一些問題得到了解決，師生都很認可。

一、傳統實驗儀器在高中物理實驗和教學中的困境

高中物理實驗和教學的開展要求學生結合自己的創新能力，在探究過程中獲得學習體驗，掌握方法，提升能力。但是，相對城市地區來說，農村教學水平落后，忽視了對學生綜合素養的培養，學生普遍缺少創新意識。所以，如何在高中物理實驗和教學中開展探究教學就成為現代農村教育改革的關鍵問題。

農村高中物理教學中所使用的實驗設備通常具有簡單、直觀、易操作的特點，且實驗過程中需要人工讀取和記錄數據，在一些變化速度快、難以觀測的實驗中就很難準確讀取數據。另外，一些復雜的數據計算還將影響實驗和教學過程中的探究和學習效率，出現實驗和理論探究相沖突，這兩方面的問題又嚴重影響著當前高中物理實驗和教學的質量，而數字化實驗儀器的應用將有效解決這方面的問題，提升探究與學習的效果，推動農村地區教學質量的提高。

二、數字化實驗儀器在高中物理實驗和教學中的優勢

（一）有助于提高教學效率

數字化實驗儀器發揮了計算機的優勢，可以實現高精度的數據記錄以及自動化的測算。在高中物理教學中，數字化實驗儀器可以自動完成實驗過程中的數據收集及綜合性的分析處理，讓教師和學生省去了復雜的計算過程，將所有的精力都投入到實驗的設計與實施中去，為其節省了許多時間，有助于提高物理教學的效率。

（二）有利于解決教學難點

在目前的教學狀況下，所涉及的傳統實驗儀器雖然簡單、易操作，但卻需要人工讀數記錄，并且不夠精確，很難記錄下轉瞬即逝的瞬間數據。但是，數字化實驗儀器的使用可以高精度、高速度的完成數據的采集，收集到每一個瞬間的數據，且高效、直觀，有利于學生更加深入地分析與理解，確保實驗結果的正確性，輕松解決實驗和教學中的難題。

（三）培養了學生動手能力和探究精神

數字化實驗儀器具有便捷和高效的特點，為學生開展探究學習提供了一個良好的環境。在高中物理實驗和教學中，學生可以根據自己的實際需求利用數字化實驗儀器進行學習探究，自主進行實驗研究。這樣，不僅可以掌握現代化技術支持的實驗操作方法，更增強了學生的實驗和學習的意識，有助于創新思維的養成，使學生的動手能力和探究精神都得到很好的培養。

（四）提升了學生的實驗素養

新課程改革要求學生能夠在學習中充分發揮主動性，學生可以通過實驗充分了解有關概念、理論和技能，提升其實驗素養。數字化實驗儀器在高中物理教學中的使用可以激發學生在實驗過程中的探究興趣，幫助他們養成實事求是的科學態度，提高實踐能力，這正是滿足提升學生實驗素養的要求。

三、數字化實驗儀器在農村高中物理實驗和教學中的應用策略

（一）利用圖像解決教學重難點

在高中物理的學習和實驗中，許多研究對象處于不斷運動或變化的狀態，學生很難觀察測量它們運動或變化的過程，給教學帶來了很大的麻煩。而數字化實驗儀器可以以圖像的方式向學生展示物體運動或變化的過程，讓學生了解到最真實的實驗結果，實現實驗過程與物理概念之間的聯系，解決教學中的重難點問題。

例如，在學習了“超重和失重”這部分內容后，有些學生認為“物體的超失重現象與運動方向有關”，為了讓學生明白錯誤原因，可以將力傳感器連接到物體的上端，然后用手拉力傳感器連同物體一起由靜止向上（或向下）加速再減速。由數據采集器將數據上傳到計算機，并繪制出力的變化圖像，觀察后不難發現物體的超失重現象與運動方向無關，解決了重難點，也加深了學生對知識的理解。

（二）利用數字化實驗儀器學習抽象概念

物理知識本身就很抽象，需要依靠實驗來幫助學生理解，但在學習高中物理時，很多實驗利用傳統的方法很難更好地完成。數字化實驗儀器的出現讓這些難以完成的實驗成為可能，教師采用有效的手段，利用數字化實驗儀器進行實驗，加深學生對物理概念的認識。

例如，“電容”是高中物理學習中的一個重要概念，教材上對其概念的描述非常抽象，學生不易理解。因此教師可以通過實驗的方式來進行探究，由于電容器充放電時間很短且變化快，電流表無法測量充放電流，需要用電流傳感器測量電流，經采集輸入計算機得到i-t圖像，處理得到電量Q值，用電壓表測電壓U，經處理、分析、比較，學生很容易得出結論。此時，教師可以告訴學生，QU是電容器自身的屬性，與電壓無關，從而引出電容的概念，幫助學生理解，實現教學目標。

（三）利用數字化實驗儀器快速得到實驗結論

在學習物理的過程中，許多物理實驗的結果需要我們根據實驗情況進行推理論證，但整個整理過程相對來說比較復雜，需要耗費大量時間。數字化實驗儀器中的“測量——記錄——呈現”功能可以快速幫我們得到實驗的結果，完成推論，這將大大提升實驗的效率和準確性。

以彈簧振子做簡單運動為例，高中階段雖然不要求推導彈簧振子位移和彈力間的關系，但教師引導學生動手推導，有利于學生的理解和記憶。教師可以利用力傳感器和位移傳感器實時監測彈簧振子的受力和位移情況，經采集、傳輸到計算機，可以快速知道二者呈正比關系。

（四）利用數字化實驗儀器開展探究性實驗

數字化實驗儀器有著強大的數據處理功能，在教學中，我們可以用它將理論的推導過程變為實驗的探究過程，以此引導學生開展探究性學習，提升學生的探究意識以及學習能力。

例如，在動能定理的學習中，傳統教學是通過牛頓第二定律和運動學公式來進行推導的。但在數字化實驗儀器的支持下，我們可以設計探究性實驗，具體操作方法是：在一端帶定滑輪平板軌道上安裝兩個光電門傳感器，放上帶遮光條的滑塊，適當傾斜軌道來平衡摩擦力，利用力傳感器測合力和兩個光電門測速度，之后對數據進行處理和計算，比較滑塊過兩光電門過程中W合和ΔEk的大小，可發現合外力做的功等于動能的增量。

數字化實驗儀器的操作方法對教師和學生來說并不復雜，只要進行簡單學習就可以掌握。它在高中物理教學中的應用可以為農村的學生提供更好的學習條件，提升他們對實驗和學習的興趣，培養其實驗能力以及自主探究意識。對于教師來說，必須要提高對數字化實驗儀器的重視程度，通過合適的教學方法和手段來發揮數字化實驗儀器的優勢，提升教學質量，推動新課程改革的進程，為學生今后的學習打好基礎。希望本文能起到一定的作用，使高中物理實驗教學得到高效開展，讓學生得到全面的發展。

參考文獻：

[1]江秀云.數字化實驗儀器在高中物理實驗教學中的應用[J].新課程（下），2018（8）：119.

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責任編輯：黃大燦