數字化技術在高中物理實驗教學中的應用

在數字化時代，各種先進的數字化技術走進了教育領域，在高中物理課堂中得到了有效應用。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中強調，讓學生參與物理實驗，體驗科學探究的過程，了解實驗流程、注意事項、相關方法，使學生的科學探究能力得到發展。同時，提倡教師積極開發和利用數字化技術，以拓寬學生物理學習的渠道，推動物理教學方式的數字化變革。實驗是物理課程的基礎，也是培養學生物理學科核心素養的重要途徑，教師應靈活應用數字化技術實施實驗教學，為學生創設全新的學習環境，讓學生親身體驗實驗的樂趣。

一、高中物理實驗教學中數字化技術的應用價值

（一）增強學生的學習體驗

在數字化技術的支持下很多技術手段、線上平臺、軟件等被應用，如虛擬實驗室、仿真軟件、互動平臺等，利用這些手段開展物理實驗，可以彌補實驗設備不足或者實驗條件不允許的弊端，讓學生在沒有實驗器材的情況下也可以更直觀地學習實驗知識，獲得豐富的學習體驗。此外，利用數字化技術可以實現動畫、三維建模等教學，讓抽象的物理現象以更加生動的方式展示出來，強化學生對物理知識的理解。

（二）提升實驗教學的效率與安全性

納入高中物理教材中的實驗，安全性都相對較高，但是實驗過程會受環境、操作步驟、實驗場地等多方面因素的影響，出現安全隱患。而在數字化技術的基礎上開展實驗活動，教師可以通過虛擬仿真技術形象地還原實驗過程，這既降低了實驗過程中的風險，提高了實驗的安全性，又能實現了反復操作實驗，不擔心設備損壞，進而提升實驗教學的效果。

（三）支持個性化與差異化教學

在應用數字化技術的過程中，教師可以根據學生的學習興趣，靈活調整實驗形式，根據學生的學習進度，調整教學速度，為學生提供個性化的學習平臺。利用線上學習平臺進行互動教學，教師還可以對學生的學習情況進行實時監控，靈活調整教學策略，并進行針對性輔導，實現精準教學。

二、高中物理教學中數字化技術的應用策略

（一）發揮數字化優勢，導入新知

課堂導入是非常重要的環節，有效地導入可以在教學之初激發學生的學習興趣，為后續的教學做好鋪墊，進而提高課堂教學效果。利用數字化技術進行新課導入具有一定的優勢。教師利用模擬軟件，在課前進行實驗導入，可以讓學生提前模擬實驗過程以及相關知識，讓學生更好地參與課堂。

例如，在教學人教版必修第一冊第四章“探究加速度與力、質量的關系”這節實驗課時，教師就可以應用數字化“模擬軟件”對本課的一些概念進行模擬展示。教師可以利用PhET互動模擬軟件，展示一個虛擬的實驗環境，展示不同質量和力作用下物體的加速度變化。

教師：同學們，請看屏幕中的虛擬實驗，在這個模擬的環境中，我們使用不同的力來推動兩個質量不同的小車（此處需要注意的是兩個小車的質量是不同的）。

學生認真觀察模擬實驗的過程與結果，并在教師的引導下分析加速度的變化。

教師：通過觀察，你們看到了什么？兩輛車哪輛的加速度更大？為什么會有這樣的差異？

學生圍繞問題進行討論：

1.第一輛小車加速度更大，因為它的質量較小。

2.第二輛車加速度較小，因為它的質量較大。

師：接下來我們切換一個場景，請同學們觀看這段視頻。

（利用多媒體播放兩輛動力不同的汽車同時發動的視頻）

師：為什么兩輛車啟動時的速度不同？哪些因素影響了汽車的啟動速度？

（引導學生認真觀看視頻，從中獲得發現）

師：哪輛車的加速度更大？為什么公交車啟動要慢于摩托車？

（學生集體討論）

與傳統的實驗教學模式不同，模擬實驗既結合了新時代的技術特點，又緊扣教材，彌補了傳統實驗教學模式的不足，有利于激發學生的好奇心。教師從模擬的實驗場景中引出相關的物理概念，讓學生結合生活經驗作答，同時利用牛頓第一定律的知識點為新知識的學習做鋪墊。

（二）挖掘數字化功能，傳授新課

1.實驗演示，初步了解本質

在數字技術的支持下開展實驗具有一定的優勢，但在實施過程中也不能完全脫離傳統實驗過程，需要學生的有效參與。教師通過邀請學生參與實驗，可以吸引學生的注意力，讓他們對接下來學習的知識產生好奇和期待，同時，結合生活實例可以讓學生發現生活中的物理現象，激發學生的探究意識，培養其解決問題的科學態度。在模擬實驗后，教師可組織學生進行實驗演示，一方面操作數字化工具進行虛擬實驗，另一方面充分利用學校的實驗器材進行實際操作，將數字化技術與傳統實驗模式進行結合，加深學生對知識的理解。

例如，在“探究加速度與力、質量的關系”實驗教學中，教師模擬實驗結束后，就可邀請兩名學生上臺配合老師按照演示步驟先完成虛擬實驗。數字技術具有實時更新、暫停、靈活調整等功能。學生在操作的過程中可以隨時暫停實驗，也可以根據自己的需求精準地錄入數據，通過調節小車的質量、速度等獲得更豐富的成果，然后在線下進行操作。在此過程中，教師要進行充分的指導。教師演示傳統實驗過程，讓學生初步了解相關儀器的使用方法和原理，并且感受實驗中數據收集和處理的困難，調動學生使用傳感器完成實驗的積極性，讓學生意識到數字化技術的作用，培養學生的數據素養，然后再引導學生自主操作。

師：現在請你們同時用手將小車向前推動，我們來觀察以下哪位同學的小車速度更快。

（兩個小車向前運動后，教師在學生1的小車上放入一個砝碼）

師：請學生1同時用手將兩個小車向前推動，我們來觀察哪個小車開始時的速度更快。

師：為什么一開始兩個小車發動的速度有快有慢？

生：因為兩名同學用手推動小車的力度不一樣，學生1用的力比學生2大，所以他的車發動得更快。

師：我讓學生1分別推動兩個小車，為什么它們發動的速度還是不一樣？

生：因為有一個小車上增加了砝碼，雖然兩個小車的受力相同，但質量發生了變化，沒有砝碼的小車質量更小，在發動時速度會更快。

師：看來同學們都發現了，小車在開始運動時的速度變化叫加速度，小車的質量和受力會對這一物理量造成影響。這一物理現象在日常生活中也很常見，比如，成年人和小孩在踢同一個足球時，成年人會將球踢得更遠；兩輛車以相同的速度行駛，剎車時更重的車剎車的距離會更長。因此，物體運動的加速度與其質量和受力相關。

師：在定量的基礎上，請同學們做一個假設：物體運動的加速度與力的關系。

生：加速度與力成正比。

師：那么物體運動的加速度與質量的關系呢？

生：加速度與質量成反比。

師：既然同學們已經提出了假設，那么你們可以說出相關的函數圖象嗎？

生：加速度與力的圖像是直線，與質量的圖像是曲線。

2.科學設計，優化實驗過程

數字化技術為實驗教學開拓了一條新的途徑，在數字技術的支持下，很多現代化平臺、工具等被應用，為物理實驗提供了新的路徑。如朗威DISLab數字化信息系統就是一種以傳感器為核心元件的數字化系統。傳感器在生活中十分常見，像我們用的手機、體重秤等，都具有傳感器技術。接下來的實驗需要使用朗威DISLab數字化信息系統，利用這個系統的傳感器可以測量感知到的信號，利用該系統的DISLab 8.0軟件則可以處理產生的數據。教師可結合生活向學生介紹朗威DISLab數字化信息系統，讓學生關注當下社會的科技發展，同時讓學生了解實驗設備，為接下來的實驗做好準備，以便學生在實驗設計的過程中，真正地優化實驗過程，助力學生全面發展。在完成以上實驗的過程中，為了讓學生更有參與感，教師可鼓勵學生一起組裝實驗設備，并按照操作規范打開計算機軟件，先進行摩擦力的平衡。

（1）實驗準備：平衡摩擦力

①收集實驗數據

學生使用DISLab8.0軟件進入界面后，先點擊“專用軟件物理”按鍵，再點擊“從v-t圖求加速度”按鍵。在力學軌道上放置小車，點擊“開始記錄”按鍵，讓小車向前運動。分析軟件記錄的速度數據，剔除無效數據，直到小車加速度近似0m/s2。

②描繪物理圖像

學生使用鼠標點擊“停止記錄”，獲取生成的一條圖像，通過不斷地調節和實驗，直到該圖像近似一條直線。此時小車的加速度為0 m/s2，達到平衡小車摩擦力的目的。

（在實驗過程中，教師觀察學生使用數字化傳感器實驗儀器的情況，以及學生收集的圖像是否近似一條直線）

★實驗一：探究加速度與力的關系

◎收集實驗數據

學生用天平對小車和小桶的質量進行測量，用繩子將小桶連接在小車上，在力學軌道上放置小桶和小車。打開DISLab8.0軟件，點擊“專用軟件物理”按鍵，找到“牛頓第二定律”按鍵，將砝碼放進小桶，小車則保持原狀。計算小車所受合外力，在軟件中填入力和質量m，點擊“開始記錄”按鍵，讓小車向前運動。

◎記錄數據

利用數據平臺分析每個學生的行為信息，從數據中明確“加速度與力的關系”，并對這些數據進行整理與記錄。

◎描繪物理圖像

重復上述實驗步驟五次，在軟件中分別填入小桶不同的質量。教師引導學生進行數據處理，獲得軟件生成的v-t圖像，選擇區域中某一段，點擊“a-F圖像”，得到圖像（略）。

★實驗二：探究加速度與質量的關系

（1）收集實驗數據

在小桶中增加砝碼，確保小車可以自動向前運動，分別測量小桶、砝碼的質量，計算小車所受合外力，不改變合外力，將小車質量改變，分別將小車所受合外力和小車質量m填入軟件，點擊“開始記錄”，讓小車向前運動。

◎記錄數據

學生在實驗的過程中將數據記錄在表1中，為實驗總結提供依據。

表1 “探究加速度與質量的關系”數據記錄表

（小車受合外力不變，配重片的質量為0.05kg）

（3）描繪物理圖像

在小車上不斷放入配重片，重復上述實驗步驟五次，在軟件中分別填入小車不同的質量。教師引導學生進行數據處理，獲得軟件生成的圖像，選擇區域中某一段，點擊“a-1/m圖像”。

師：我們可以發現實驗中得到的函數圖像的點并不是嚴格位于某條直線上的，這是因為實驗存在系統誤差和偶然誤差。在科學探究中，物理學家都是在重復多次精準的實驗后才得出的定性結論。請同學們對比數據，分享自己在實驗中得到的結論。

（學生分析數據，討論實驗結果）

師：在誤差允許的范圍內，對于質量固定的物體，可以看到軟件自動生成的圖像接近于一條直線，這也表示加速度與力成正比；對于力固定的物體，可以看到軟件自動生成的圖像接近于一條直線，這也表示加速度與質量成反比。我們得到的實驗結果和之前的假設一致。通過以上實驗，你們總結出什么物理規律？

生：根據物理圖像和實驗數據，可以得到規律：物體的質量不變，其運動的加速度與力的關系為a∝F；物體的合外力不變，其運動的加速度與質量的關系為a∝。

師：那你們得到的實驗結論是什么？

生：物體的質量不變，其運動的加速度圖像與力可近似看作直線，可以得出加速度與力成正比；物體的合外力不變，其運動的加速度圖像與質量的倒數可近似看作直線，可以得出加速度與質量成反比。學生根據實驗自主總結規律和實驗結論，調動主觀能動性，培養基于實驗數據進行總結和闡述的能力。教師根據實驗情況進行最后的實驗總結。

（三）數字化精準評價，升華素養

在實驗過程中利用DISLab8.0軟件功能，不僅能讓學生直觀地觀察實驗現象，還能讓學生在親自操作中對實驗數據進行收集、描繪，對相關變量進行記錄，鍛煉了學生的數據收集能力。同時，學生在實驗中充分利用線上平臺繪制與實驗相關聯的物理圖像，并根據圖像得出結論，驗證自己的猜想。這樣有助于學生科學探究能力的提高，從而取得理想的學習效果。而要想明確教學成果，最大化地發揮數字化教學的優勢，還需要重視評價環節的設計，科學、有效的評價可以提升學生的素養。

在開展“探究加速度與力、質量的關系”相關的實驗時，教師利用數字化技術的“實時監控功能”，收集學生的行為數據，然后根據學生的具體表現，對學生進行精準評價，為后續教學措施的完善提供依據。同時，結合傳統的評價方式，制作設計“學生自我評價表”讓學生進行自我評估與反思。

通過將線上、線下評價相結合的方式，學生可以了解自己在本節課中還未解決的問題；教師也可以在統計測試卷和評價表時了解學生的學習情況，對自己的教學方式進行反思。

三、數字化技術在高中物理實驗教學中的成效

在本節實驗課中，教師靈活應用了朗威DISLab數字化信息系統，利用傳感器的精確測量功能和計算機的數據處理功能，彌補了傳統實驗教學的弊端，同時還提升了實驗教學的效率和準確性。在實驗過程中，學生積極主動地展開科學探究，通過設計實驗、參與實驗、記錄數據、分析數據等環節加深對物理概念的理解，深刻理解物體運動的加速度與力、質量之間的關系。同時知識遷移環節，讓學生運用所學知識解決課前問題，促進學生數據素養、科學思維、科學探究能力和問題解決能力的提高，充分發揮數字化技術的優勢，實現物理學科核心素養的培養目標，促進物理實驗教學效率和質量的提升。

同時，在以上實驗案例中提到了朗威DISLab系統，實驗過程中充分利用DISLab8.0軟件的功能，不僅能讓學生更直觀地觀察實驗現象，還能讓學生在親自操作中對實驗數據進行收集、描繪，對相關變量進行記錄，鍛煉了學生的數據收集能力。同時，學生在實驗中需要繪制物理圖像，并根據圖像得出結論，驗證自己的猜想，有助于科學探究能力的提高，從而取得理想的學習效果。

三、總結

在今后的教學中，教師還要進一步探索數字化技術與課堂教學融合的更多可能性。比如，利用數字化技術模擬物理實驗，幫助學生降低理解難度，更直觀地觀察物理現象。在實驗過程中，教師要提供科學指導，引導學生應用數字化技術規范操作，培養學生嚴謹的科學態度，讓學生體驗數字化技術的便利性，促進其物理學科核心素養的形成。此外，教師還可以積極開展課外探究活動，將實驗教學延伸至課外，利用數字化技術了解學生在課外進行實驗的情況，及時利用線上途徑提供指導，進一步培養學生的科學探究能力。

（作者單位：安徽省巢湖市第六中學）

編輯：溫雪蓮