數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

1、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用內(nèi)容提要內(nèi)容提要教學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的基本概念數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的基本概念數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)一種類型作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)一種類型的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種類型，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)必須滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)一般的要求教學(xué)實(shí)驗(yàn)是為教學(xué)活動服務(wù)的，它的主要功能是教學(xué)功能作為教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)，最重要的不在于得到某一項(xiàng)具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而在于整個實(shí)驗(yàn)和其它各個教學(xué)環(huán)節(jié)的過程同時，既然要用數(shù)字化手段來進(jìn)行某一實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)課題時就應(yīng)該能夠回答采用數(shù)字化手段來

2、進(jìn)行這個實(shí)驗(yàn)的必要性，并且在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的特長 1教學(xué)實(shí)驗(yàn)必須有鮮明的物理思想教學(xué)實(shí)驗(yàn)必須有鮮明的物理思想 教學(xué)實(shí)驗(yàn)必須含有豐富的物理思想實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要突出所研究的問題的背景，實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理和研究問題所用的方法2教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要能充分展示所研究教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要能充分展示所研究的物理過程，有效地揭露物理過程的本的物理過程，有效地揭露物理過程的本質(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還必須給學(xué)生提供質(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還必須給學(xué)生提供充分發(fā)揮創(chuàng)造力、想象力的空間，有一充分發(fā)揮創(chuàng)造力、想象力的空間，有一定的操作要素定的操作要素 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成 硬件: 傳感器 采集器 計(jì)算機(jī) 軟件: 對

3、數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行控制 對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力利用計(jì)算機(jī)，既可以對傳感器在快速變化的瞬態(tài)過程中獲得的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，也可以長時間地跟蹤收集極緩慢過程的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化技術(shù)為理科教學(xué)中改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)或開發(fā)以前無法進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)提供了有力的工具 靈活的數(shù)據(jù)處理能力靈活的數(shù)據(jù)處理能力通過計(jì)算機(jī)，可以對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行控制，對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種復(fù)雜的、快速的處理，例如數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、曲線的擬合、誤差的計(jì)算等這就允許在實(shí)驗(yàn)中嘗試改變各種條件，比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，為學(xué)生創(chuàng)造了一個科學(xué)探究和自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约皩?shí)事求是、勇于

4、探究的科學(xué)態(tài)度 為互動式教學(xué)創(chuàng)造了條件為互動式教學(xué)創(chuàng)造了條件 在實(shí)驗(yàn)室中將計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，可以方 便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，在教師的指導(dǎo)下對各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、探討，為開放、互動性的課堂教學(xué)創(chuàng)造了條件 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系中學(xué)作為基礎(chǔ)教育階段，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的訓(xùn)練對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒖茖W(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)是必不可少的 但若要研究的物理過程十分復(fù)雜，要采集或處理的數(shù)據(jù)量很多，或要通過多次改變實(shí)驗(yàn)條件，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行深入的分析，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段就有強(qiáng)大的優(yōu)勢和廣闊的空間數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)各有長處和短處，二者應(yīng)該是互補(bǔ)關(guān)系，不能互相取代 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則首先，它必須滿

5、足教學(xué)實(shí)驗(yàn)一般的要求既然要用數(shù)字化手段來進(jìn)行某一實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)課題時就應(yīng)該能夠回答采用數(shù)字化手段來進(jìn)行這個實(shí)驗(yàn)的必要性，并且在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的特長 在實(shí)驗(yàn)課題的選擇上，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)比較適合用在那些過程比較復(fù)雜的，要采集的數(shù)據(jù)量比較多的，數(shù)據(jù)處理中計(jì)算量比較大的實(shí)驗(yàn)其次，在制定實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程和方法時也要盡量體現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn) 用數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，突出的問題是數(shù)據(jù)的采集、處理（包括作圖線、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、各種計(jì)算、擬合等）都是在幕后進(jìn)行的這在實(shí)際工作中可能帶來很多便利，而在教學(xué)中卻是一個缺陷因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要盡可能把這些幕后的操作移到前臺來比方說需要進(jìn)行物理量轉(zhuǎn)換的時候，最

6、好由實(shí)驗(yàn)者自己輸入公式；需要顯示物理圖線的時候，最好由實(shí)驗(yàn)者自己選擇坐標(biāo)和標(biāo)度；需要進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的時候，最好由實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線的形狀，自己選擇擬合公式等總之，那些只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)，立刻就自動地得到“理想”結(jié)果的最便捷的實(shí)驗(yàn)，從教學(xué)角度看，效果是并不好的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例作用力與反作用力關(guān)系的研究作用力與反作用力關(guān)系的研究碰撞與緩沖的研究碰撞與緩沖的研究彈簧振子運(yùn)動過程的研究彈簧振子運(yùn)動過程的研究電容器充、放電過程的研究電容器充、放電過程的研究定值電阻伏安特性的研究定值電阻伏安特性的研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究交流電有效值的研究交流電有效值的研究振蕩電路的研究振蕩電路

7、的研究氣體等溫過程的研究氣體等溫過程的研究認(rèn)識無線傳感器認(rèn)識無線傳感器作用力與反作用力作用力與反作用力實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫f明物體間發(fā)生相互作用時，作用力反作用力方向相反，大小相等實(shí)驗(yàn)方法：用兩個力傳感器互相對拉或?qū)?，比較兩條“力時間”函數(shù)圖線碰撞與緩沖的研究碰撞與緩沖的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^緩沖物軟硬程度對沖力大小的影響驗(yàn)證動量定理實(shí)驗(yàn)方法：使砝碼從同一高度下落到軟硬程度不同的緩沖墊上，通過“力時間”圖線比較沖力大小將琺碼與緩沖墊接觸過程中受到的“合力”對時間積分，說明琺碼從同一高度下落，自接觸緩沖墊到停止運(yùn)動，所受合力的沖量相等彈簧振子運(yùn)動過程的研究彈簧振子運(yùn)動過程的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩椈烧褡舆\(yùn)動過程從

8、多個角度進(jìn)行深入研究彈簧振子的運(yùn)動方程彈簧振子運(yùn)動過程中力、位移、速度、加速度的相位關(guān)系彈簧振子運(yùn)動過程中能量的轉(zhuǎn)換用彈簧振子運(yùn)動驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)方法：通過對彈簧振子的“位移時間”圖線進(jìn)行擬合求彈簧振子的運(yùn)動方程通過作彈簧振子的“力、位移時間”、“力、速度時間”、“力、加速度時間”圖線，比較它們之間的相位關(guān)系通過“動能、勢能、總機(jī)械能時間”圖線，研究彈簧振子運(yùn)動中能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系通過作彈簧振子的“加速度力”圖線驗(yàn)證牛頓第二定律電容器充、放電過程的研究電容器充、放電過程的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察電容器充放電過程中電壓、電流的變化情況說明電容器所帶電量與電壓之比是只與電容器物理結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量，說明物理

9、量“電容”的概念實(shí)驗(yàn)方法：觀察電容器充、放電過程的“電壓時間”、“電流時間”函數(shù)圖線將電容器充、放電過程的“電流時間”圖線對時間積分，求出充、放電的電量證明對某一電容器來說，這電量與充電電壓之比是一個常量定值電阻伏安特性的研究定值電阻伏安特性的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯慷ㄖ惦娮璧姆蔡匦匝芯慷ㄖ惦娮枭舷牡碾姽β逝c電壓的關(guān)系實(shí)驗(yàn)方法：通過對定值電阻伏安特性曲線的線性擬合，研究定值電阻上電壓、電流、電阻間的函數(shù)關(guān)系通過對定值電阻上“功率電壓”曲線的擬合，研究定值電阻上消耗的電功率與電壓的函數(shù)關(guān)系電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)方法：比較“磁感強(qiáng)度、感應(yīng)電壓時間”、“磁感強(qiáng)度變化率、感應(yīng)電壓時間”圖線，說明在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中電路中感應(yīng)電動勢的大小只與磁通量的變化率有關(guān)研究交流電的有效值研究交流電的有效值實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯空医涣麟娪行е蹬c峰值間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)方法：通過用“正弦函數(shù)”對“交流電壓時間”圖線進(jìn)行擬合，確認(rèn)低壓交流電源輸出的是否可看作是正弦交流電通過對“電壓平方時間”圖線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出在整周期內(nèi)交流電壓的“均方根”值，并求出交流電壓的峰值與“均方根”值之比振蕩電流的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯俊癓C”振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過程研究產(chǎn)生振蕩電流時電路中電壓、電流間的相位關(guān)系實(shí)驗(yàn)方法：觀