传统实验的数字化升级_传统数字化学习环境

传统实验的数字化升级由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“传统数字化学习环境”。

“数字话”与“传统实验”的整合北京九中 邮编100041 肖伟华

近几年，随着计算机技术和传感器技术的不断发展，计算机实时测量技术开始应用于中学物理课堂教学，许多学校已经或正在建立自己的数字化实验室。数字化实验室一般由传感器、数据采集器和计算机软件三部分组成，相对于传统实验，其特点主要表现在两个方面：在数据采集上，采集速度快、测量精度高；在数据处理上，具有智能交互、图文并茂的特点，能以数值显示、图表、曲线等各种方式表现实验数据，并可根据教学要求对实验数据进行各种分析与处理。

一、数字化实验与传统演示实验有机整合，能深刻提示物理现象的本质。

物理演示实验的目的首先是为了显示直观的物理现象，在此基础上揭示物理现象的内在本质。从现象到本质的提升过程需要学生的抽象思维，而有些实验现象与本质的之间并不具备直观的联系，因此造成学生认识上的困难。如电磁振荡实验。传统的振荡实验，为了显示LC振荡电路中电流的变化，我们是用灵敏电流计指针的左右摆动来显示电流的变化规律的。指针的左右摆动能直观显示电流方向的变化，摆动的幅度在一定程度上能反映电流大小的变化情况。但LC振荡电路中的振荡电流到底是按什么规律变化的呢？传统实验无法给出直观的结论，而且指针的惯性也会影响对实验现象的观察。于是教师只好直接给出结论：振荡电流是交流电。这个结论学生是被动接受的。有了数字化实验系统，我们可以对传统实验进行数字化升级，这样的问题就可以迎刃而解了。利用微电流传统器，我们可以直观地观察到振荡电路中振荡电流的变化情况。实验时，我们先演示传统实验，让学生观察检流计指针的左右摆动，在此基础上提出问题：LC振荡电路中的电流是按什么规律变化的呢？在学生猜测、思考的基础上，我们在振荡电路中的检流计位置串入微电流传感器代替检流计，用微电流传感器采集电路中的电流信号，通过采集器输入电脑进行数据处理，适当选定采样频率，这样，电流随时间变化的关系图象就可以通过大屏幕直接显示出来了，学生可以直观地观察到振荡电流随时间作正弦规律变化这一事实了。

改变线圈的自感系数和电容器的电容，还可以看到振荡频率发生相应的变化。改变电容和电感的倍数，通过测量振荡电流的周期，可以研究L—C回路的周期与电容和电感的关系，从而得到电磁振荡的周期公式。电流传感器的适时采集功能让学生直观观察到了振荡电路中电流的变化规律，学生认识深刻，教师教得轻松。

二、数字化实验室适合学生进行探究学习

1、数字化实验的精确测量与数据处理提高实验的可信度，从而提高课堂教学的效率。一直以来，传统中学物理实验都存在着实验方法陈旧、数据处理繁琐、可信度差等情况，学生的实验操作也变成了在教师预先设置好的环境下进行技能训练，缺乏自主的独立思考和创造性活动。有了数字化实验系统，这样的问题也可以很好地得到解决。

以“牛顿第二定律”的课堂教学为例，传统的方法是利用打点计时器测量小车的加速度。为了研究加速度与力的关系，需要测量四至六组数据，这样就需分析四至六条纸带。为了研究加速度与质量的关系，又需要分析四至六分条纸带，数据处理十分繁琐。从学生处理的结果来看，往往不能得到预期的图象，实验结论的可信度较差。有了数字化实验系统，我们只需要轻轻滑动实验小车，点击几下鼠标，电脑就能根据设定的参数将各计时点记录的数据显示出来，并画出精确的图像，不仅结论可靠，还大大节约了数据处理的时间，我们可以把这部分时间放在对实验原理的探讨和对实验结果的分析上，让学生的精力能更集中于对数据背后隐藏的科学规律的探究上，提高了课堂教学的实效性。

再如研究物体的匀变速运动。我们先让学生观察小车沿轨道下滑，发现其速度越来越大，是一种加速运动，但这是一种怎样的加速运动呢？我们再用运动传感器探测出小车的速度—时间图象，发现是一条直线。引导学生分析这条直线的意义，得出在相等的时间内，速度的改变量相同，从面引入匀变速运动的概念。改变轨道的倾斜的角度，再得出一条速度—时间图象，比较这两条直线的不同，发现在相等的时间内两次运动速度的改变量不同，倾斜角度大的在相等的时间速度改变量大，即速度改变快，从而引入加速度概念。这样引出加速度概念因为有实验作为基础，比传统的方法更符合学生的认识规律。数字化实验系统为我们构建了一个平台，使我们在物理课堂教学中可以突破演示实验和学生分组实验的界限，从而产生出“边讲边实验”、“随堂实验”、“探究实验”等新的课型，由于数字化实验系统的快速测量，精确处理，使原来课堂上无法完成的实验现在都有了可能，使物理课堂教学手段更加丰富，同时大大节省了因处理数据而浪费的时间，使课堂时间利用更加充分。

2、数字化实验室的开放性为学生探究物理规律提供了有力的技术支持。

数字化实验系统一般都提供“专用软件”和“通用软件”两种方式。“专用软件”主要是针对课本中的实验，按照物理教学大约的精神进行设计的实验。而“通用软件”则具有更大的开放性，而这种开放性也为学生的探究实验提供了更大的空间和技术支持，学生在通用软件的支持下，可以见所想见，大胆猜想，细心求证，进行真正意义上的科学探究实验。下面举两个例子。

①．利用数字化实验探索单摆的周期公式。

在传统的物理教学中，单摆的周期公式一般只能直接给出或者从理论上进行推导。第一种方式是典型的灌输法，第二种方法理论要求比较高，对于普通中学的学生有一定的难度。有了数字化实验，我们可以让学生做探究性实验，研究单摆的周期与哪些因素有关，是何种关系。实验所需器村如下：摆长可以调节的单摆，光电门，采集器，数字化实验室通用软件。实验前，可以让学生猜测单摆的周期与哪些因素有关。学生可能猜测与小球质量、振幅、小球的体积、摆长等因素有关。实验时，要求学生采用控制变量法，分别改变以上因素，利用光电门测量单摆的振动周期，通过测量验证自己的假设，从而找出单摆周期的决定因素。在实验探索的基础上，教师再结合实验进行分析、总结，最后引导学生得出单摆的周期公式。

②．利用数字化实验探索动量定理。

传统的教学中，动量定理是把牛顿定律运动定律与运动学公式相结合得到的，学生往往把动量定理看作是牛顿运动定律的一个推论。这种教学的结果导致学生对动量定量这条重要规律的本质理解不深刻，在应用时经常出错。

利用数字化实验，可以改变动量定量的教学方式，通过学生做探究性实验完成课堂教学。在导轨的一端安装一个力传感器，另一端安装一个运动传感器。让一辆小车以一定的速度与力传感器上的弹簧部分发生碰撞，学生看到小车的运动状态发生了变化。教师可以就此提出问题：小车运动状态发生变化的原因是什么？小车运动量的改变与作用力及作用时间之间有没有定量的关系？是怎样的定量关系？要求学生通过数字化实验进行研究。在学生得到力与时间的关系图象及小车的速度时间图象后，引导学生对图象进行分析，利用软件的积分功能可以计算出F—t图象下的面积，测量出小车的质量，计算出小车碰撞前后动量的改变量，引导学生寻找力对时间和累积与小车动量改变量之间的关系，从而得出动量定理。

以上的教学方式，让学生从被动接受结论的学习者一改而成为对物理规律的主动探究者，不仅调动了学生学习的积极性与主动性，激发了学生学习的兴趣，也使学生对所学的概念、规律有更深刻的理解，同时培养了学生科学探究的精神和能力，掌握了科学探究的方法，数字化实验室则为新型的科学探究实验提供了技术保证，使得物理课堂教学中进行科学探究成为可能。