人教版高中物理教材中的實驗分類及其數字化改進

鄭康

當前，新一輪課程改革正在積極推進。教師應改進課堂教學方式，融合信息技術開展學科教學。筆者梳理人教版新教材中的實驗內容，將其分為演示實驗、探究性實驗、驗證或測量性實驗和拓展性實驗四類，針對傳統實驗的不足，提出利用數字化實驗系統（DIS）進行相應的改進：改進演示實驗，展示動態物理過程；優化探究性實驗，發揮圖像處理功能；完善驗證性和測量性實驗，提高實驗精度；開展拓展性實驗，實施微課題研究。以此，不斷增強學生實驗探究能力，提升學生物理核心素養，促進學生全面發展。

一、與時俱進利用信息技術改進物理實驗是課標要求

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗是物理教學的重要環節，也是培養學生物理核心素養的重要途徑。《新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》要求教師“積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式等課堂教學方式；注重引導學生開展研究型、項目化、合作式等跨學科綜合性學習；認真開展好演示實驗和學生分組實驗，培養學生科學探究能力”。

當今社會信息技術飛速發展。DIS等信息技術的應用正在改變教師的教學手段和學生的學習方式。數字媒體已成為物理教學特別是物理實驗教學的重要課程資源。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出應“積極推進信息技術在教學中的應用，促進信息技術與學科課程的整合；充分發揮信息技術的優勢，為學生的多樣化學習和發展提供豐富的手段”。如何有效利用信息技術促進物理教學方式的變革，是物理教師應積極研究的重要課題。在信息技術日益集成化、系統化的今天，教師基于教材開展DIS實驗是促進物理教學數字化的有效途徑。

二、人教版新教材中實驗梳理與數字化改進

（一）改進演示實驗，展示動態物理過程，深化物理觀念

演示實驗多是教師操作的示范性實驗。教師演示物理現象，引導學生觀察思考，以講授或討論等方式，幫助學生建立物理概念和認識物理規律，為學生開展實驗提供參考。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對象，筆者梳理發現教材中共有40組演示實驗，其中可用DIS改進或開展的演示實驗共有12組（見表1）。

學生理解實驗現象需要觀察和思考，但許多物理現象是瞬間發生或不夠明顯的。教師用傳統的實驗器材和方法教學，學生難以捕捉和記錄相關的物理過程。例如，對于牛頓第三定律的研究，傳統的實驗方案是用兩只相同的彈簧測力計沿相反方向拉動，并同時增大或減小拉力，觀察兩只彈簧測力計的示數情況。按傳統方法操作，學生可以觀察到兩只彈簧測力計的示數是同時增大或者同時減小的，但是要更具體地研究兩者的大小關系，用肉眼是難以觀測的。筆者利用DIS開展數字化實驗，完美破解上述難題。系統自動采集并記錄數據（如圖1），同時將數據傳送給計算機并實時轉化為圖像（如圖2），這樣實現了實驗過程的自動記錄和實驗現象的動態可視化。

對于一些演示實驗，如果實驗現象不夠明顯、直觀，教師可以充分利用DIS傳感器替代肉眼觀測，利用計算機軟件記錄數據，并將動態的物理過程轉換為“物理量—時間”圖像直觀地呈現出來，從而實現物理現象的可視化。

（二）優化探究性實驗，利用圖像處理功能，提升科學思維

探究性實驗主要指在教師指導下，學生經歷“提出問題—猜想假設—設計實驗—實施實驗與搜集數據—分析論證—評估—交流”的探究過程，并且運用歸納概括、分析綜合等思維方法來建立物理概念和探求物理規律，同時感悟科學思想和科學精神、培養交流與合作能力。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對象，筆者梳理發現教材中共有27組探究實驗，其中可用DIS改進或開展的探究實驗共有14組（見表2）。

搜集數據和分析數據是探究性實驗的重要環節。實驗結論必須以數據分析作為依據。然而，對于一些常見的探究性實驗，實驗數據和作圖都需要學生處理，這雖然可以提升學生的計算和作圖能力，但耗時太長，會嚴重影響對后續結果的進一步分析和運算。例如，學生用傳統實驗裝置（包括柱塞、壓力表等器件）探究氣體壓強與體積關系，每操作一次都要同時讀出體積和壓強的數值，還要進行估讀。在多次操作后，學生還要根據得到的多組數據作圖像和1/圖像，這會嚴重擠占課堂時間。筆者開展數字化實驗教學（如圖3），有效克服了以上弊端。DIS自帶數據表格功能，且有設置變量和編輯公式功能，它能夠及時處理數據，生成結果。同時，DIS根據實驗數據描點作圖（如圖4和圖5），對函數進行擬合，如一次函數、正比例函數、反比例函數、二次函數等，大大提高了實驗效率。

對于一些探究性實驗，如果數據記錄和作圖較為煩瑣，教師可以讓學生充分利用DIS中“計算表格”功能來記錄數據，并根據數據進行智能化描點作圖，系統會根據作好的圖像利用函數擬合功能進行自動擬合。這樣可以節省課堂時間，讓學生有充足的時間針對實驗數據和圖像進行探討，從而不斷提升科學思維，發展科學推理和科學論證能力。

（三）完善驗證性和測量性實驗，提高實驗精度，增強科學探究能力

驗證性實驗主要是讓學生參與實驗，驗證由已知物理理論推導出新結論的正確性，從而加深對物理知識的理解，同時培養學生的分析和推理能力，提高實驗技能。測量性實驗主要是讓學生應用所學物理知識，運用儀器來測定某個物理量或物理常量。它可以幫助學生理解物理量概念和物理量的意義，學會運用物理規律，掌握基本的實驗方法。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對象，筆者梳理發現教材中共有11組驗證和測量性實驗，其中可用DIS加以數字化改進或開展的實驗共有9組（見表3）。

在當前高中物理課堂中，學生主要是使用傳統的實驗設備進行實驗，如刻度尺、秒表、托盤天平、鉤碼、彈簧測力計等。這存在一定的弊端：一方面，傳統設備精度相對較低，并且在長期使用中容易損耗，往往導致較大的系統誤差；另一方面，實驗數據一般是人工測量讀取，數據圖像由手工繪制而成，這會造成一定的偶然誤差。因此，最終得到的實驗結果可能偏差很大，這必然會阻礙學生對物理規律的深入理解，影響教學效果。例如，在教學驗證力的合成與分解遵循平行四邊形定則時，傳統的實驗方案是使用彈簧測力計、細繩、橡皮條等器材來操作。具體方法是分別用一只彈簧測力計和兩只彈簧測力計拉動橡皮條使其伸長至同一點，進而用力的圖示法作出分力和合力，并將實際值與理論值進行比較。此實驗方案中，由于測量、讀數、作圖均存在一定的偶然誤差，導致實際值與理論值有一定偏差。在DIS實驗系統中（如圖6），力傳感器靈敏度高，測量精準，能夠有效減少因人為因素產生的偶然誤差，從而提高實驗精度。

對于一些驗證性或測量性實驗，如果傳統實驗儀器測量精度不高或偶然誤差較大，師生可以充分利用DIS傳感器靈敏度高、測量精確等特點，依靠相關傳感器采集數據，并借助專用的實驗軟件將實驗數據智能轉化為圖像，避免人為因素導致的實驗誤差，從而提高實驗精度，使實驗結果更有說服力。

（四）開展拓展性實驗，實施微課題研究，增強創新思維和實踐能力

拓展性實驗是相對于教材（正文）實驗而言的，它的選材主要來源于書本中的課后閱讀材料或生產生活實際，是物理課堂的延伸和發展。拓展性實驗以微課題研究為主要形式，突破了時間和空間的限制，有利于學生利用理論知識解決生活中的實際問題，因此能夠有效激發學生的學習興趣，培養學生的創新思維和實踐能力。學生基于高中物理所學內容，可以參與以下拓展性實驗（見表4）。

由于受到傳統實驗儀器和裝置的限制，很多實驗處于“想做而做不出、能做但做不好”的困境。在DIS引入物理課堂后，物理實驗的內容得到了極大擴展。例如，用DIS溫度傳感器配合其他器材，可以較為精確地研究一些熱現象，如電流熱效應、紅外線熱效應、摩擦力做功等；利用DIS中的電流、電壓和微電流傳感器，可以有效克服電學量采集和記錄方面的困難，直觀呈現電容器充放電、自感現象等“暫態現象”。尤其是微電流傳感器，不僅能驗證有微弱磁場存在，而且能支持許多拓展性實驗，如研究熱電偶中的電流、人體導電時的電流、玻璃導電等。

拓展性實驗作為一種學生實驗，是課堂實驗教學的重要補充。在學生學習教材內容后，教師可以鼓勵學生利用豐富的傳感器開展微課題研究，將理論知識與生產生活實際結合起來，以此開闊學生的視野。同時，教師可以設置DIS實驗系列校本課程，研究的內容可以適當地體現學科融合，如制作水果電池并測量其電動勢和內阻、探究不同pH對水果電池電動勢及其內阻的影響等，以此啟發學生從生活中發現問題和解決問題，培養學生的創新思維和實踐能力。

三、反思與建議

總的來說，相較于傳統實驗，DIS實驗具有諸多優勢 ：如呈現數據直觀、形象，可視化程度高；處理數據圖像便捷、高效；采集數據精確度高、避免人為測量產生的偶然誤差；采集功能強大，可支持眾多拓展性實驗。教師應用DIS可極大提高實驗效率和教學效果，但DIS也有一定的局限性。在教學中，教師應做到以下三點。

第一，尋求DIS實驗與傳統實驗最佳結合點。傳統實驗作為培養學生基本實驗能力和實驗素養的載體，也是教學中不能忽略的環節。教師應合理利用DIS系統，將其作為傳統實驗的重要補充和優化手段，尋求兩者的最佳結合點。

第二，深度挖掘DIS的拓展功能。教師要充分發揮DIS實驗高效率、高精度、多途徑的優勢，用其開展研究性學習、跨學科學習、微課題研究等活動，引導學生將理論知識應用于實踐，發現和解決生活中的實際問題。

第三，激發更多的創新要素。教師要利用DIS多樣化功能，充分調動學生的主觀能動性，讓學生在物理學習中不斷體驗、發現和感悟，引導學生逐漸從被動接受轉向主動探究、從建構知識轉向能力提升，從而激發更多創新要素，使學生創新思維能力得到有效發展。

參考文獻

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（作者系江蘇省常州市戚墅堰高級中學高級教師）

責任編輯：祝元志