基于数字化实验系统的物理实验拓展的研究
基于数字化实验系统的物理实验拓展的研究
摘要 从实验仪器、实验原理、实验目的三个角度论述运用数字化实验系统对物理实验进行拓展，提出从多个角度对物理实验进行拓展研究是探索数字化实验系统与物理课程整合的有效途径之一。
关键词 数字化实验系统 物理实验 物理实验拓展
实验是物理教学的重要内容和手段，是培养学生科学素养，提高学生能力的有效途径。信息化是二十一世纪的标志，是当今世界经济和社会发展的大趋势，以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工具。在基础物理教学领域，信息技术与物理课程整合日益成为人们关注的热点，并取得了丰富的理论与实践成果。
一、问题的提出
1、信息技术与物理课程的整合的意义
信息技术与课程整合的内涵要求运用信息技术作为工具，使课程内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生的互动方式实现全新的变革，促进教学过程中的各个要素和环节实现全面优化。目前，信息技术与物理课程整合的方式主要有三种：以传感器的方式进入物理教学的实验领域；以仿真模拟的方式进入物理教学的思维领域；以网络通信的方式进入物理教学的交流沟通领域。将信息技术有效融合于物理教学过程来营造一种新型的教学环境，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学的方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使学生的创新精神和实践能力的培养真正落到实处。
2、数字化实验系统与物理课程整合的优势
数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图像处理系统，实现了实验手段数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，在延续传统的同时超越传统。
3、新课程对数字化实验的要求
我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。2003 年新公布的《普通高中物理课程标准( 实验) 》对信息技术与物理课程整合提出: 信息技术要进入物理实验室, 即重视将信息技术应用到物理实验室, 加快中学物理实验软件的开发和应用, 诸如通过计算机实时测量、处理实验数据, 分析实验结果等。[4] 高中物理新教材中的一些演示实验和“做一做”等栏目也出现了数字化实验系统应用的案例。基于传感器和计算机技术的数字化实验系统为实现学习方式的多样化，引导学生的自主探索研究，进行广泛的体验、合作和交流提供了时间和空间， DISLab曾被乔际平
[5] 教授誉为“科学分配教育时空的新探索”。
二、基于数字化实验系统的物理实验的拓展
数字化实验系统提供了一个新的实验探究平台，使学生能从数据读取、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来，从而有足够的时间对物理现象进行多角度的感知和多视角的探究。同时，我们要认识到数字化实验系统与物理课程的有效整合需要先进的教育思想，它的合理应用本身就要求同时变革传统教育观念、教育思想与教育模式，代之以尊重人的主动性、首创性、反思性、合作性的全新的教育观念、教育思想与教育模式。[6]笔者认为，数字化实验系统的优越性的充分发挥应基于新的实验教学理念，物理课堂是物理教学的主阵地，任何教学方式的改进都应该首先能够服务于课堂教学。从多个角度对原有实验进行拓展研究，是一个重要的研究方向。
1、实验仪器的拓展
实验仪器是物理实验的物质载体，实验仪器的有无、数量的多少、性能的优劣直接影响
实验效果，影响课堂教学质量。数字化实验系统将实验数据数字化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合。尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其实验优势填补了传统实验中诸如微小量测量、暂态量测量等多个测量空白，这预示着它具有很强的拓展性。
⑴数字化实验系统与传统仪器的整合
传统的物理实验是学生获取物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料，是培养学生基本实验技能的途径。数字化实验在延续传统的同时超越传统，是传统实验的拓展和延伸。数字化实验与传统实验的整合应能够服务于学科教学，适应学生的认知水平，以发挥最优化的教学效果。
教学活动中，我们可以使传统实验仪器与DIS 实验系统相互配合，发挥各自优势。例如在“自感现象”的教学中，几十年来都在使用一种成品教板，由实验电路图1和图2分别演示通电自感和断电自感。用灯泡演示自感现象不能确切反映电流和电压变化的过程，电流较小时灯泡不能发光。灯泡无极性，不能显示电流的方向。另外，实验器材规格匹配性不好，实验现象的可见度低等缺点也会使实验效果不理想。数字化实验系统用传感器采集电流、电压，能实时保持实验数据并显示稳定的图像，有效克服了上述缺憾。笔者根据图3所示的电路，用两个电压传感器分别测量两个支路的电压，获得了图4所示的图像，图像清晰显示了通电自感和断电自感过程中两支路电压的变化。我们还可以在支路中接入电流传感器，分析电流的变化情况。这样，我们在教学活动中可以先通过传统实验仪器引导学生观察现象，获得感性认识，激发探究欲望，然后借助数字化实验系统深入探究自感现象的特点和规律。
图1 通电自感电路图
图2 断电自感电路图
图3 实验电路 图4 V-t 图像
另外，我们可以将传感器与传统实验装置进行组合，借助原有实验装置的结构原理，发挥数字化实验的优势。例如在探究弹簧振子的运动规律时，可引导学生对弹簧振子的物理模型进行拓展，分析水平方向单弹簧振子、水平方向双弹簧振子及竖直方向的弹簧振子等。研究水平方向弹簧振子的运动可用气垫导轨（或轨道小车），将气垫导轨的滑块（或小车）上固定位移传感器的发射器作为振子，振动过程中轨道小车的阻尼振动较气垫导轨的滑块更加明显。研究竖直方向弹簧振子的运动时，可直接将位移传感器的发射器作为振子。这样的实验数据依然来自传统的实验装置，只是数据采集和分析处理的手段借助数字化实验系统得到显著改观。
⑵数字化实验系统与“非常规”物理实验的整合
“ 非常规” 物理实验, 是指选择利用环境中“非专门化”的物质手段, 不按固定方法或形式, 人为控制条件、有目的实施的观察与探索物理规律的实验教学活动。在资源利用上, “ 非常规”物理实验是直接利用环境中“ 本来用途不是用来开展实验” 的物质资源, 包括生活易得物品、材料、器具、人体自身、交通工具、建筑设施、娱乐器材等, 同时包括利用研发自制的实验器具。采用“ 非常规” 物理实验开展教学活动能够采取灵活、简便的方
[7] 法与形式, 使实验过程体现自创性、体验性、趣味性、简易性与生活化。
笔者在教学实践中尝试开发“非常规”物理实验的教育教学功能，取得很好的效果。 例如，笔者利用DISLab 对北京师范大学侯丹、李春密老师探究影响弹性片振荡周期的
因素的实验进行改进。侯丹、李春密老师采用图5所示的装置分析弹性片长度和质量对振动周期的影响。通过实践研究发现，其实验装置尚有不足之处：其一，将钢尺插在纸盒的缝隙中，还需要将纸盒通过某种方式固定牢固；其二，钢尺只是插在纸盒的缝隙中，在振荡时难以保证钢尺伸出的长度不变，并且多次使用后纸盒缝隙处难免不被撕裂；其三，在钢尺上固定毛笔以及通过插橡皮块改变质量等方面操作很不方便。笔者就地取材，使用实验室中的台虎钳固定弹性片，通过在钢尺上吸附磁铁块来改变质量，器材组装如图6。[8][9]
图5 制作图 图6 仪器组装图
另外笔者认为，自制教具价格低廉，易于普及；简单明了，易于揭示物理规律的本质特征；而且易于使学生感到亲切，其中含有许多富有创造性的因素，因此因校制宜地发动任课教师创造教具，具有十分现实的意义。
笔者用饮料瓶、输液管、泡沫盒等自制一套实验装置，配合DISLab 力传感器（见图7）借助其动态波形数据采集、求平均值、鼠标显示坐标值等功能对教材中分子间作用力实验（见图8）进行改进，利用力传感器高灵敏度等优点实现实验仪器微型化，直观显示出分子间作用力的存在, 并且更换玻璃板、有机玻璃板、铝板，采集到同样的波形（见图9），进一步证
[10]明了分子间作用力的普遍性。
图7 仪器组装图 图8 教材中的实验 图9 实验波形
⑶数字化实验系统与虚拟仪器的整合
随着多媒体技术的发展，许多虚拟仪器的产生为物理实验教学注入了新的活力。利用虚
拟仪器做实验，可以自行设置各种参数，以控制其达到理想的效果。云南师范大学的刘艳春、李渝翔使用虚拟示波器软件与DISLab 有效整合进行声波干涉实验有效克服传统实验的缺点，
[11]取得很好的效果。虚拟仪器的应用突破了现有实验条件的限制，排除了各种干扰因素对实
验的影响，它与数字化实验系统的整合值得深入研究。
2、对实验原理的拓展
实验原理，体现着物理思维，因此对实验原理的拓展，有利于训练学生的创新思维能力。对实验原理进行拓展，应该广泛考虑学科内外各部分知识之间的联系，综合运用各种实验思想和实验手段以达到最优化的实验效果。
在上述探究影响弹性片振荡周期的因素的实验中，侯丹、李春密老师采用图5所示的装置获得图10所示的振动图像，这种采用较为传统的留迹法获得弹性片振动周期的方法存在一定的局限性。笔者使用磁传感器和微电流传感器，将弹性片的振动转化为磁感应强度和感应电流的周期性变化，通过易测量量获得难测量量，有效突破了操作难点。图11和图12分别是
磁感应强度和感应电流周期性变化的图像，它们都可以反映弹性片的周期性振动。该实验采
用电磁学的知识和测量手段来研究振动问题为物理实验的改进研究提供了很好的思路。
图12 图11 图10
此外，笔者从开发组合实验，拓展学生思维的理念出发开发出“探究弹簧振子的振动图像”、“探究声波的振动图像”、“探究转速的测量”等系列实验，使用不同的传感器对同一物理现象进行探究，学生在探究过程中不断深化对学科知识之间的联系，体验物理学思维方法的无穷魅力。以“探究弹簧振子的振动图像”为例，笔者除采用位移传感器外，还采用了磁传感器、电流传感器、电压传感器、力传感器、微电流传感器等配合相应的实验装置获得了不同的振动图像，见图13。这种多侧面、多角度地研究同一物理现象，使学生体会到科学研究领域的“殊途同归”。
图13 从左到右依次为使用磁、电流、电压、微电流、力传感器获得的弹簧振子振动图像
3、对实验目的的拓展
传统的物理实验多是验证性实验，学生对教材中的实验往往采取简单的“拿来主义”，机械地按照实验要求进行操作，无法深入锻炼学生的探究能力。因此，在完成常规实验内容的前提下，教师可以根据学生的知识水平对实验目的进行拓展，引导学生进一步探究，激发学生的学习兴趣。
例如，在探究通电螺线管内部磁感应强度的实验中，学生很容易想到用磁传感器直接探测通电螺线管内部磁场，如图14所示，我们可以得到磁场强度的变化图像。在此基础上我们可以提出，能否直接获得磁感应强度与探测深度的关系图像呢？学生受到启发，想到将磁传感器与位移传感器组合的方法，如图15所示。那如何分析通电螺线管内部磁感应强度与电流的关系呢？学生很快想到用磁传感器与电流传感器组合。随着对实验目的的逐步拓展，学生对物理现象的认识逐步加深，探究物理现象的兴趣逐步提高。在此基础上还可以引导学生进一步思考：什么是匀强磁场？获得匀强磁场需要螺线管具备怎样的特征？学生提出假设，不断改进实验装置来加以验证，使学生在获取知识的过程中体验物理学的魅力。
图15 图14
再如，在“电容器和电容”的教学活动中，传统的实验是利用平行板电容器与验电器组合，采用控制变量法来定性地分析电容的影响因素。该实验对实验仪器和实验环境的要求很高，很难获得理想的实验效果，无法显示电容器充放电过程中电流、电压的变化，无法研究电量与电压之间的定量关系。运用数字化实验系统可以快速获得电流、电压随时间变化的关系图像，通过积分运算获得电量的数值，进而验证电容公式C Q /U 的正确性。这样将定性实验上升为定量实验。在学生对电容器的工作原理有了较全面的认识之后，我们还可以通过分析图像的细节引导学生认识日常生活中电容器在储能、延时等方面的应用。
数字化实验系统作为一种实验工具可以从多个角度加以拓展，结合具体实验引导学生多角度、全方位地认识物理规律不仅有助于学生掌握实验仪器的使用规律和物理学的研究方法，还能够促使其推而广之，将上述思想方法应用于其它学科的学习以及日常的生产、生活之中。
三、结束语
在教学活动中，为了实现预期目的，教学主体总是要采用一定的手段作用于对象。教学
[12]手段是教学活动不可缺少的组成部分。数字化实验技术为物理教学提供了先进的实验手
段，但它并不代表先进的教学思想。先进的教育技术手段与先进的教学思想有机融合才能实现技术与课程的充分整合。因此，教师在教学活动中不能单纯的注重教学手段的先进，更要重视教学思想的转变，重视教学过程和学生学习过程的研究。基于数字化实验系统的物理实验的拓展体现着先进的教学思想，这有待于更多的一线教师从更广泛的角度去研究。 参考文献
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作者：李进
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