例談“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1、例談“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用吳思平摘 要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以傳感器及計(jì)算機(jī)為核心器件的實(shí)驗(yàn)體系，克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，為傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)提供了新的工具和手段。本文以超重與失重這節(jié)課為例，對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與課堂教學(xué)的結(jié)合做一嘗試與探索。關(guān)鍵字：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；傳感器；實(shí)驗(yàn)；超重與失重 一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著新課程改革的推進(jìn)，一種以傳感器和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綌?shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。去年筆者所在學(xué)校引進(jìn)了整套的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)”，以一系列傳感器替代了傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，能夠完成力、熱、聲、光、電

2、、位移、磁感強(qiáng)度、等多種物理量數(shù)據(jù)的采集。傳感器數(shù)據(jù)通過四通道采集器處理后上傳到計(jì)算機(jī)，由專用軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理與分析，能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示規(guī)律。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在兩個(gè)方面有大的變化：在數(shù)據(jù)測(cè)量環(huán)節(jié)上，利用高靈敏度的傳感器，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法高得多的數(shù)據(jù)精確性，保證實(shí)驗(yàn)的成功；在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上，利用專用軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，采集到的數(shù)據(jù)還可以以圖表、儀表、示波器等形式顯示，同時(shí)支持對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線形、曲線、二次、高次曲線分析。用戶可以自定義變量和表達(dá)式，可完成包括函數(shù)在內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)算，大大節(jié)省傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄

3、、計(jì)算、分析的時(shí)間。這樣一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如果能夠?qū)⑵湟氲秸n堂中，將為物理教學(xué)注入新的活力。下面以超重與失重這節(jié)課為例，對(duì)這種嘗試做一分析和探討。二、教學(xué)實(shí)例圖1 超重與失重實(shí)驗(yàn)裝置圖在上超重與失重這節(jié)課時(shí)，以往教師在做超重和失重的演示實(shí)驗(yàn)一般有以下兩種方式，但效果都不甚理想。1、用彈簧測(cè)力計(jì)掛上一個(gè)重物，向上做加速運(yùn)動(dòng)，觀察加速瞬間測(cè)力計(jì)的讀數(shù)變化。在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，由于加速過程運(yùn)動(dòng)快、時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，學(xué)生根本看不清彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，更談不上記錄下數(shù)據(jù)，提供給學(xué)生作為分析的依據(jù)。2、使用動(dòng)畫課件，利用多媒體手段虛擬物體運(yùn)動(dòng)過程中的超重和失重現(xiàn)象，這種方式雖然能夠讓學(xué)生比較清晰地觀察超重

4、和失重現(xiàn)象，但沒有以具體實(shí)驗(yàn)操作為基礎(chǔ)，缺乏真實(shí)感和可信度，會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生“假”的感覺。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的出現(xiàn)為我們提供了一種新的手段，下面簡(jiǎn)述如何利用力傳感器和位移傳感器的組合來完成“超重與失重”的演示和探究。實(shí)驗(yàn)裝置：將勾碼掛于力傳感器的下端，調(diào)節(jié)位移傳感器探測(cè)頭方向朝上使其能夠測(cè)量物體在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)情況，并將位移傳感器置于勾碼的正下方（如圖1）。實(shí)驗(yàn)操作：使勾碼從靜止開始向上運(yùn)動(dòng)，先加速后減速并再次達(dá)于靜止。在計(jì)算機(jī)上就能立刻得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？啥啻沃貜?fù)這一實(shí)驗(yàn)過程，獲得多組測(cè)量數(shù)據(jù)。探究分析：從測(cè)量的多組數(shù)據(jù)中選擇現(xiàn)象明顯的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1根據(jù)由計(jì)算機(jī)給出的勾碼的“位移時(shí)間”圖像和“速

5、度時(shí)間”圖像（如圖2），引導(dǎo)學(xué)生分析物體的運(yùn)動(dòng)情況：00.5s物體速度為0，位置不變，說明物體處于靜止?fàn)顟B(tài)；從“位移時(shí)間”圖像可以看出0.61.1物體始終向上運(yùn)動(dòng)；從“速度時(shí)間”圖像可以看出0.60.75s物體向上加速運(yùn)動(dòng)，0.751.1s物體向上減速運(yùn)動(dòng)。圖2 超重與失重的“速度時(shí)間”圖像2根據(jù)力傳感器所獲得“拉力時(shí)間”圖像（如圖3），引導(dǎo)學(xué)生分析不同時(shí)段物體的受力情況：00.4s物體受到的拉力為0.5N；0.40.75s物體受到的拉力大于0.5N；0.751.1s物體受到的拉力小于0.5N。圖3 超重與失重的“拉力時(shí)間”圖像3將位移傳感器所獲得的“速度時(shí)間”圖像和力傳感器所獲得“拉力時(shí)間”

6、圖像的上下并排，使用相同的時(shí)間軸進(jìn)行對(duì)比分析（如圖3），引導(dǎo)學(xué)生將物體各時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況進(jìn)行列表（如表1）對(duì)比，讓學(xué)生進(jìn)行思考和討論。表1：受力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系時(shí)間00.4s0.6s0.75s0.75s1.1s運(yùn)動(dòng)情況靜止向上加速向上減速加速度方向0向上向下拉力=0.5 N0.5N0 可得 Tmg向上減速 T- mg=ma a0 可得 Tmg4使勾碼與力傳感器從上方一起由靜止開始向下運(yùn)動(dòng)，先加速后減速。通過傳感器獲得物體的“速度時(shí)間”圖像和 “拉力時(shí)間”圖像（如圖4）。圖4 下降過程“拉力時(shí)間”圖像5.引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物體向下運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)情況和受力情況進(jìn)行分析（過程同前，不贅述）。6.引導(dǎo)

7、學(xué)生對(duì)兩種運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論：無論物體向上還是向下運(yùn)動(dòng)，只要加速度方向向上，物體受到的拉力就大于重力，產(chǎn)生超重現(xiàn)象；只要物體加速度的加速度向下，物體受到的拉力就小于重力，就處于失重狀態(tài)。三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和對(duì)課堂教學(xué)的影響通過以上實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)操作、圖線觀察和圖線分析，學(xué)生能夠?qū)ξ矬w的運(yùn)動(dòng)過程有具體而直觀的認(rèn)識(shí)，從而開始更好地理解和掌握物理規(guī)律。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)體現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（一）實(shí)現(xiàn)了物理過程的具體化和暫態(tài)現(xiàn)象的凝固化中學(xué)許多的物理實(shí)驗(yàn)都是動(dòng)態(tài)、變化的過程，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器往往只能進(jìn)行“點(diǎn)”測(cè)量，無法實(shí)現(xiàn)“線”測(cè)量，對(duì)物理變化過程無法全程記錄。但在上面這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，

8、數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問題，不僅能讓學(xué)生“看到”物體運(yùn)動(dòng)過程中的速度和受力情況，還可以可以把一個(gè)個(gè)物理過程的瞬間變化凝固下來讓學(xué)生仔細(xì)觀察和分析。極大地?cái)U(kuò)展了實(shí)驗(yàn)的可視性和重復(fù)性，而“看到”物理現(xiàn)象，正是理解和認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的第一步。（二）提高中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的精確度不高，導(dǎo)致有時(shí)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值會(huì)有較大出入，教師對(duì)于這種現(xiàn)象常常也是無可奈何，只能以“誤差”兩字一筆帶過，這樣就大大降低了實(shí)驗(yàn)的可信度，會(huì)使學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生輕視心理。而傳感器提供了比傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器高得多的測(cè)量精度，這就使得物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或者驗(yàn)證更具有科學(xué)性和說服力，能激發(fā)學(xué)生的熱情和積極性投入到

9、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析中去。同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的求真精神。（三）提高了課堂教學(xué)的有效性在上實(shí)驗(yàn)探究課時(shí)許多老師遇到的一個(gè)問題就是課堂時(shí)間分配問題，由于使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，探究實(shí)驗(yàn)中“實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理”這些環(huán)節(jié)幾乎要占去了大半節(jié)課的時(shí)間，而真正讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探究物理規(guī)律的時(shí)間就已經(jīng)所剩無幾，這樣一節(jié)課下來，常常是既定的教學(xué)目標(biāo)無法全部完成，正是由于這個(gè)原因，許多教師為了能夠按時(shí)完成教學(xué)進(jìn)度，就放棄了探究實(shí)驗(yàn)，還是用以往“口說實(shí)驗(yàn)”的方式來講授。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備“實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)”的功能，數(shù)據(jù)采集、處理和圖線描述都由計(jì)算機(jī)完成，所以師生們可以從數(shù)據(jù)讀取

10、、記錄，公式運(yùn)算和圖線描繪等繁瑣的簡(jiǎn)單勞動(dòng)中解脫出來，從而能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間、精力用于研究和掌握物理規(guī)律，使課堂40分鐘時(shí)間得到最有效的利用，課堂效益最大化，學(xué)生的能力得到真正的培養(yǎng)。四、結(jié)束語(yǔ)本文所做的實(shí)驗(yàn)僅是一個(gè)小小的嘗試，借助于傳感器技術(shù)豐富的功能，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在許多課程中都可以發(fā)揮它的作用。例如：利用力傳感器可以探究摩擦力的特點(diǎn)，可以演示牛頓第三定律；利用位移傳感器可以探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；將力傳感器與位移傳感器組合使用可以探究加速度與物體質(zhì)量和合外力的關(guān)系；利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器可以探究各種磁場(chǎng)的特點(diǎn)；利用電流、電壓傳感器探究楞次定律等。把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入課堂，將對(duì)傳統(tǒng)的物理教學(xué)產(chǎn)生許多積極的影響和改變。在學(xué)生能力的培養(yǎng)上，不僅可以使學(xué)生更深入地理解物理學(xué)的現(xiàn)象，而且可以掌握學(xué)習(xí)物理的一種能力即獨(dú)立思考、大膽假設(shè)和嚴(yán)謹(jǐn)探索實(shí)驗(yàn)的能力,從而開拓學(xué)生思維和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在教學(xué)方法上，將使教師的教學(xué)方式更加多樣和靈活，更有利于“探究式教學(xué)”的真正落實(shí)和開展。參考文獻(xiàn)：1馮容士.工具的變遷，課改的理念