基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗拓展

基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗拓展

一、問題的提出實驗是物理教學的重要內(nèi)容和手段，是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)，提高學生能力的有效途徑。數(shù)字化實驗系統(tǒng)具有多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺以及強大的函數(shù)圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗手段數(shù)字化、測量呈現(xiàn)實時化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測量簡單化，在真實實驗的基礎上實現(xiàn)了信息技術與物理實驗教學的整合，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時超越傳統(tǒng)。我國新一輪中學理科課程改革對信息技術尤其是基于傳感器的數(shù)字化實驗室與課程整合提出了明確要求。2003年新公布的《普通高中物理課程標準（實驗）》提出：信息技術要進入物理實驗室，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果等。[1]高中物理新教材中的一些演示實驗和“做一做”等欄目也出現(xiàn)了數(shù)字化實驗系統(tǒng)應用的案例?；趥鞲衅骱陀嬎銠C技術的數(shù)字化實驗系統(tǒng)為實現(xiàn)學習方式的多樣化，引導學生的自主探索研究，進行廣泛的體驗、合作和交流提供了時間和空間。[2]二、基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗的拓展1.實驗儀器的拓展實驗儀器是物理實驗的物質(zhì)載體，實驗儀器的有無、數(shù)量的多少、性能的優(yōu)劣直接影響實驗效果，影響課堂教學質(zhì)量。數(shù)字化實驗系統(tǒng)盡管用傳感器代替了部分測量儀表，但并沒有脫離傳統(tǒng)的實驗裝置，而是借助其實驗優(yōu)勢填補了傳統(tǒng)實驗中諸如微小量測量、暫態(tài)量測量等多個測量空白。這預示著它具有很強的拓展性。①數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器的整合。傳統(tǒng)的物理實驗是學生獲取物理知識最直接的手段、最真實的經(jīng)驗和最好的感性材料，是培養(yǎng)學生基本實驗技能的途徑。數(shù)字化實驗在延續(xù)傳統(tǒng)的同時超越傳統(tǒng)，是傳統(tǒng)實驗的拓展和延伸。圖1教學活動中，我們可以使傳統(tǒng)實驗儀器與DIS實驗系統(tǒng)相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢。例如在“自感現(xiàn)象”的教學中，幾十年來都在使用一種成品教板，由實驗電路圖1a和圖1b分別演示通電自感和斷電自感。用燈泡演示自感現(xiàn)象不能確切反映電流和電壓變化的過程，電流較小時燈泡不能發(fā)光；燈泡無極性，不能顯示電流的方向。另外，實驗器材規(guī)格匹配性不好，實驗現(xiàn)象的可見度低等缺點也會使實驗效果不理想。數(shù)字化實驗系統(tǒng)用傳感器采集電流、電壓，能實時保持實驗數(shù)據(jù)并顯示穩(wěn)定的圖像，有效克服了上述缺憾。筆者根據(jù)圖1c所示的電路，用兩個電壓傳感器分別測量兩個支路的電壓，獲得了圖1d所示的圖像，圖像清晰顯示了通電自感和斷電自感過程中兩支路電壓的變化。我們還可以在支路中接入電流傳感器，分析電流的變化情況。這樣，我們在教學活動中可以先通過傳統(tǒng)實驗儀器引導學生觀察現(xiàn)象，獲得感性認識，激發(fā)探究欲望，然后借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)深入探究自感現(xiàn)象的特點和規(guī)律。②數(shù)字化實驗系統(tǒng)與“非常規(guī)”物理實驗的整合?！胺浅Ｒ?guī)”物理實驗，是指選擇利用環(huán)境中“非專門化”的物質(zhì)手段，不按固定方法或形式，人為控制條件、有目的地實施觀察與探索物理規(guī)律的實驗教學活動。在資源利用上，“非常規(guī)”物理實驗是直接利用環(huán)境中“本來用途不是用來開展實驗”的物質(zhì)資源，包括生活易得物品、材料、器具、人體自身、交通工具、建筑設施、娛樂器材等，同時包括利用自己研發(fā)的實驗器具。采用“非常規(guī)”物理實驗開展教學活動能夠采取靈活、簡便的方法與形式，使實驗過程體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗性、趣味性、簡易性與生活化。[4]筆者在教學實踐中嘗試開發(fā)“非常規(guī)”物理實驗的教育教學功能，取得了很好的效果。例如，筆者利用DISLab對北京師范大學侯丹、李春密老師探究影響彈性片振蕩周期的因素的實驗進行改進。侯丹、李春密老師采用圖2a所示的裝置分析彈性片長度和質(zhì)量對振動周期的影響。[5]通過實踐研究發(fā)現(xiàn)，其實驗裝置尚有不足之處：其一，將鋼尺插在紙盒的縫隙中，還需要將紙盒通過某種方式固定；其二，鋼尺只是插在紙盒的縫隙中，在振蕩時難以保證鋼尺伸出的長度不變，并且多次使用后紙盒縫隙處難免不被撕裂；其三，在鋼尺上固定毛筆以及通過插橡皮塊改變質(zhì)量等方面操作很不方便。筆者就地取材，使用實驗室中的臺虎鉗固定彈性片，通過在鋼尺上吸附磁鐵塊來改變質(zhì)量，器材組裝如圖2b。[6]圖2另外筆者認為：自制教具價格低廉，易于普及；簡單明了，易于揭示物理規(guī)律的本質(zhì)特征；而且使學生感到親切，其中含有許多富有創(chuàng)造性的因素。因此因校制宜地發(fā)動任課教師制作教具，具有十分現(xiàn)實的意義。筆者用飲料瓶、輸液管、塑料盒等自制了一套實驗裝置，配合DISLab力傳感器（見圖3a）對教材中分子間作用力實驗（見圖3b）進行了改進。我利用力傳感器高靈敏度等優(yōu)點實現(xiàn)實驗儀器微型化，直觀顯示出分子間作用力的存在。并且更換玻璃板、有機玻璃板、鋁板，采集到同樣的波形（見圖3c），進一步證明了分子間作用力的普遍性。[7]圖3③數(shù)字化實驗系統(tǒng)與虛擬儀器的整合。隨著多媒體技術的發(fā)展，許多虛擬儀器的產(chǎn)生為物理實驗教學注入了新的活力。利用虛擬儀器做實驗，可以自行設置各種參數(shù)，以控制其達到理想的效果。云南師范大學的劉艷春、李渝翔使用虛擬示波器軟件與DISLab有效整合進行聲波干涉實驗有效克服了傳統(tǒng)實驗的缺點，取得了很好的效果。[8]虛擬儀器的應用突破了現(xiàn)有實驗條件的限制，排除了各種干擾因素對實驗的影響，它與數(shù)字化實驗系統(tǒng)的整合值得深入研究。2.對實驗原理的拓展實驗原理體現(xiàn)著物理思維，因此對實驗原理的拓展，有利于訓練學生的創(chuàng)新思維能力。對實驗原理進行拓展，應該廣泛考慮學科內(nèi)外各部分知識之間的聯(lián)系，綜合運用各種實驗思想和實驗手段以達到最優(yōu)化的實驗效果。在上述探究影響彈性片振蕩周期的因素的實驗中，采用圖2a所示的裝置獲得圖4a所示的振動圖像，這是采用較為傳統(tǒng)的留跡法獲得彈性片振動周期的方法。筆者使用磁傳感器和微電流傳感器，將彈性片的振動轉(zhuǎn)化為磁感應強度和感應電流的周期性變化，通過易測量量獲得難測量量，有效突破了操作難點。圖4b和4c分別是磁感應強度和感應電流周期性變化的圖像，它們都可以反映彈性片的周期性振動。該實驗采用電磁學的知識和測量手段來研究振動問題，為物理實驗的改進研究提供了很好的思路。圖4此外，筆者從開發(fā)組合實驗，拓展學生思維的理念出發(fā)開發(fā)出“探究彈簧振子的振動圖像”“探究聲波的振動圖像”“探究轉(zhuǎn)速的測量”等系列實驗，使用不同的傳感器對同一物理現(xiàn)象進行探究，學生在探究過程中不斷深化對學科知識之間的聯(lián)系，體驗到了物理學思維方法的無窮魅力。以“探究彈簧振子的振動圖像”為例，筆者除采用位移傳感器外，還采用了磁傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、微電流傳感器等配合相應的實驗裝置獲得了不同的振動圖像，見圖5。這種多側(cè)面、多角度地研究同一物理現(xiàn)象，使學生體會到科學研究領域的“殊途同歸”。圖5從左到右依次為使用磁、電流、電壓、微電流、力傳感器獲得的彈簧振子振圖像3.對實驗目的的拓展傳統(tǒng)的物理實驗多是驗證性實驗，學生對教材中的實驗往往采取簡單的“拿來主義”，機械地按照實驗要求進行操作，學生的探究能力難以得到有效的鍛煉。因此，在完成常規(guī)實驗內(nèi)容的前提下，教師可以根據(jù)學生的知識水平對實驗目的進行拓展，引導學生深入探究，激發(fā)其學習興趣。例如，在探究通電螺線管內(nèi)部磁感應強度的實驗中，學生很容易想到用磁傳感器直接探測通電螺線管內(nèi)部磁場。如圖6a所示，我們可以得到磁場強度的變化圖像。在此基礎上我們可以提出：能否直接獲得磁感應強度與探測深度的關系圖像呢？學生受到啟發(fā)，想到將磁傳感器與位移傳感器組合的方法，如圖6b所示。那如何分析通電螺線管內(nèi)部磁感應強度與電流的關系呢？學生很快想到用磁傳感器與電流傳感器組合。隨著對實驗目的的逐步拓展，學生對物理現(xiàn)象的認識逐步加深，探究物理現(xiàn)象的興趣逐步提高。在此基礎上還可以引導學生進一步思考：什么是勻強磁場？獲得勻強磁場需要螺線管具備怎樣的特征？學生提出假設，不斷改進實驗裝置來加以驗證，使學生在獲取知識的過程中體驗物理學的魅力。圖6再如，在“電容器和電容”的教學活動中，傳統(tǒng)的實驗是利用平行板電容器與驗電器組合，采用控制變量法來定性地分析電容的影響因素。該實驗對實驗儀器和實驗環(huán)境的要求很高，很難獲得理想的實驗效果，無法顯示電容器充放電過程中電流、電壓的變化，無法研究電量與電壓之間的定量關系。運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以快速獲得電流、電壓隨時間變化的關系圖像，通過積分運算獲得電量的數(shù)值，進而驗證電容公式C=Q/U的正確性。這樣就將定性實驗上升為定量實驗。在學生對電容器的工作原理有了較全面的認識之后，我們還可以通過分析圖像的細節(jié)引導學生認識日常生活中電容器在儲能、延時等方面的應用。三、結(jié)束語數(shù)字化實驗系統(tǒng)作為一種實驗工具可以從多個角度加以拓展。結(jié)合具體實驗引導學生多角度、全方位地認識物理規(guī)律不僅有助于學生掌握實驗儀器的使用規(guī)律和物理學的研究方法，還能夠促使其推而廣之，將上述思想方法應用于其他學科的學習以及日常的生產(chǎn)、生活之中。教學手段是教學活動不可缺少的組