【正文】 當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和新的科學(xué)思想 ”“高中物理課程應(yīng)促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神?！毙抡n程物理教學(xué)大綱指出：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗，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”。全國多個版本的高中物理教材在多個章節(jié)介紹了利用數(shù)字化實驗平 臺采集數(shù)據(jù) （ 表 1） ，利用計算機處理數(shù)據(jù)，能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象、 揭示規(guī)律。 國外發(fā)達國家如美國、加拿大、英國、日本等國家，在上個世紀(jì)八九十年代就已經(jīng)把逐步將數(shù)字化引入課堂教學(xué)中。與國外發(fā)達國家相比， 我國 確實是落后了很多，但中國正在這方面奮勇直追。 我國從 2020 年開始逐漸在物理學(xué)科教學(xué)中運用數(shù)字化實驗，經(jīng)濟發(fā)達的長三角、珠三角、環(huán)渤海地區(qū)，已經(jīng)從傳統(tǒng)實驗方式逐步過渡到數(shù)字化實驗方式。資金投入巨大的基于數(shù)字化信息系統(tǒng)的高中物理實驗教學(xué)研究在上海、江蘇、山東、北京、廣州等地已經(jīng)開展了十多年，成果斐然，所采用的實驗設(shè)備、 實驗內(nèi)容、教2 育理論已基本與國際同步。 表 1 人教新課標(biāo)高中物理教材使用 DIS 實驗情況統(tǒng)計 Tap. 1 People39。s Education Publishing House new high school physics textbook using DIS Statistics 序號 教材 欄目 實驗 頁碼 1 必修 1 做一做 借助傳感器用計算機測速度 P23 2 必修 1 用傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系 P82 3 必修 2 用傳感器和計算機研究平拋運動 P1415 4 選修 31 用傳感器觀察電容器的充放電 P32 5 選修 31 用磁傳感器研究磁場 P89 6 選修 32 用電流傳感器演示自感對電路中電流的影響 P23 7 選修 32 用電壓（流）傳感器演示電壓（流）波形 P31 8 選修 33 用傳感器和計算機探究氣體等溫變化的規(guī)律 P19 9 選修 34 用傳感器和計算機描繪簡諧運動的圖像 P4 10 選修 34 用光傳感器做雙縫的干涉實驗 P58 11 選修 34 用光傳感器做單縫的干涉實驗 P60 12 選修 34 用傳感器和計算機觀察 振蕩電流 P79 13 選修 35 用傳感器測量放射性 P75 注：統(tǒng)計的教材版次為 2020 年 4 月第 3 版 研究現(xiàn)狀 中國數(shù)字化實驗掌門人馮容士帶領(lǐng)的團隊開啟了國內(nèi)實驗教學(xué)的數(shù)字化時代 ，緊跟教育教學(xué)的現(xiàn)實需要和時代趨勢，開發(fā)了以力傳感器、位移傳感器、微電流傳感器、磁傳感器等的一系列數(shù)字化實驗器材，取得了豐碩的成果。 將信息技術(shù)整合于中學(xué)物理課程中是新課改以來的重點研究領(lǐng)域之一，在中學(xué)物理實驗教學(xué)中運用數(shù)字化實驗平臺是其具體的表現(xiàn)?；跀?shù)字化信息系統(tǒng)的高中物理教學(xué)研究從多個角度進行： （ 1） 對比研究傳統(tǒng)實驗 和數(shù)字化實驗，利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)改進傳統(tǒng)實驗，將傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗優(yōu)化整合于物理教學(xué) 實踐中 。 關(guān)于中學(xué)物理教育全國有影響力的幾大期刊（ 《 物理教師 》 、 《 中學(xué)物理教學(xué)參考 》 、 《 物理教學(xué)探討 》 、 《 中學(xué)物理 》 、 《 物理教學(xué) 》等）經(jīng)?？d應(yīng)用數(shù)字化實驗的教學(xué)案例。 （ 2） 以現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)理論為指導(dǎo)，從現(xiàn)代教學(xué)理念的角度，研究數(shù)字化信息系統(tǒng)的特點，深入分析數(shù)字化信息系統(tǒng)的構(gòu)成要素、技術(shù)特征和在教育教學(xué)中的地位和作用。以中國數(shù)字化實驗掌門人 —— 馮容士為代表的從事教育技術(shù)裝備研究的專家、學(xué)者 在不斷探索適合中國國情的數(shù)字化實驗發(fā)展道路 ，致力于改進、完善數(shù)字化實驗產(chǎn)品在硬件3 和軟件上的不足。 （ 3） 研究數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學(xué)物理教學(xué)與實驗中的功能，如數(shù)字化實驗與研究性學(xué)習(xí)的結(jié)合、數(shù)字化實驗與驗證性實驗的結(jié)合、數(shù)字化實驗與探究性課堂教學(xué)的結(jié)合。在物理教學(xué)等幾大期刊上可以找到很多這方面的研究。 （ 4） 專門為數(shù)字化實驗開發(fā)校本教材，設(shè)計應(yīng)用數(shù)字化信息系統(tǒng)的具體案例。 隨著我國課程教材體系的改革，像長三角、珠三角、環(huán)渤海等一些經(jīng)濟、教育比較發(fā)達的地方和各地區(qū)頂級中學(xué)在開發(fā)適合本地區(qū)或本學(xué)校情況的數(shù)字化實驗校本教材。 總體比較而言， 目前對數(shù)字化實驗系統(tǒng) 在高中物理教學(xué) 中的研究基本沒有在三維目標(biāo)視角下進行系統(tǒng)研究，另外 對運用數(shù)字化信息系統(tǒng)優(yōu)化拓展課外物理教學(xué)的實踐研究顯得薄弱些，有待進一步完善。 研究內(nèi)容 本課題 希望 在文獻調(diào)查和教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上， 總結(jié)出數(shù)字化實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢及如何更好地應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)，因此需主要在 以下幾個方面進行研究： （ 1） 數(shù)字化實驗系統(tǒng)構(gòu)成及其特點介紹 （ 2） 傳統(tǒng)實驗方式和數(shù)字化實驗方式 三維視角下 的對比研究 （ 3） 應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)的典例與策略 研究的 主要內(nèi)容 在于：嘗試在從三維視角下對比研究數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗方式，以及在課 外物理教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實驗系統(tǒng)方面進行初步的研究。 這也是本研究比較創(chuàng)新的地方。 研究意義 自然科學(xué)由于其自身客觀、量化等特殊性，使得人們在實踐研究中離不開技術(shù)設(shè)備的支持，特別是現(xiàn)代化的實驗設(shè)備。而中學(xué)物理實驗最大的不足就是缺少量化的、直觀的結(jié)果 。很多時候， 在概念、規(guī)律等知識講授中 摻入了人為的“理想化分析結(jié)果”。將基于現(xiàn)代信息技術(shù)的數(shù)字化實驗系統(tǒng)應(yīng)用于高中物理實驗教學(xué)， 首先 可以從量化和客觀兩個方面減少或解決這種“尷尬” ；其次， 還能突破傳統(tǒng)實驗領(lǐng)域的限制， 為學(xué)生改進學(xué)習(xí)方法、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、提高探究能力創(chuàng)造了強有 力的物質(zhì)條件， 開創(chuàng)高中物理實驗教學(xué)的新天地 ；最后，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與物理課程的整合的時代要求和教育趨勢。 本課題希望通過 在 對比研究 數(shù)字化實驗系統(tǒng)和傳統(tǒng)實驗方式的基礎(chǔ)上，總結(jié)出如何在先進教學(xué)理念指引下更好地應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)。以期避免將4 數(shù)字化實驗系統(tǒng)和傳統(tǒng)實驗方式對立起來： 片面強調(diào)數(shù)字化實驗 系統(tǒng) 的優(yōu)點，而拋棄傳統(tǒng)實驗方式；或固守傳統(tǒng)實驗方式，對數(shù)字化實驗 系統(tǒng)嗤之以鼻。 這將對我們在教學(xué)中具體實施新課程標(biāo)準(zhǔn)有很大的參考意義，同時更有利于培養(yǎng)學(xué)生的終生發(fā)展的興趣和能力。 5 2 數(shù)字化實驗系統(tǒng)介紹 現(xiàn)階段，關(guān)于數(shù)字化實驗 系統(tǒng) 的概念，大多數(shù)學(xué)者均是從其結(jié)構(gòu)組成的角度進行狹義的定義，它是指由“傳感器 +數(shù)據(jù)采集器 +實驗軟件包 +計算機”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。作為 信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗整合的重要載體， 它 依托傳感器技術(shù)和計算機平臺， 集 實驗數(shù)據(jù)采集、顯示 、分析、處理于一體，兼容傳統(tǒng)實驗教具、替代多種儀表，是理科實驗 教學(xué)平臺。 數(shù)字化實驗系統(tǒng) 實現(xiàn)了從單一儀器到數(shù)字化多功能集成系統(tǒng)的飛躍，提供了一整套解決方案。 數(shù)字化實驗系統(tǒng)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國外在數(shù)字化實驗的開發(fā)方面 ， 起步較早，技術(shù)也比較成熟 。 美國的 PASCO 公司、Vernier 公司、德州儀器公司，英國的 Pico Technology 公司生產(chǎn)的數(shù)字化實驗產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛。除此之外，較為著名的公司 還 有以色列 fourrier 公司、韓國數(shù)字株式會社。 美國 PASCO 公司是美國最大的教育實驗儀器制造商， 提供物理、化學(xué)、生物、科學(xué)、環(huán)境、工程實驗等課程使用的傳感器、數(shù)據(jù)采集器接口和配套軟件，構(gòu)成一個基于計算機和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新一代數(shù)字化實驗系統(tǒng)的整體解決方案。它生產(chǎn)的先進的教學(xué)儀器已被 世界上很多國家的中學(xué)和大學(xué)廣泛使用 PASCO 公司的產(chǎn)品，我國香港地區(qū)幾乎所有的 中學(xué)和大學(xué)都采用 PASCO 公司的實驗教學(xué)產(chǎn)品。 目前國內(nèi)數(shù)字化實驗產(chǎn)品處于起始階段，專門從事為教育領(lǐng)域開發(fā)數(shù)字化實驗的公司主要有山東遠大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限責(zé)任公司、上海華師京城高新技術(shù)股份有限公司、北圖 1 國外著名 數(shù)字化實驗產(chǎn)品公司 Fig. 1 Famous foreign digital experiment products pany 6 京友高教育科技公司、寧波 GQY 視訊股份有限公司等。 山東遠大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限責(zé)任公司研發(fā)的朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室開啟了國內(nèi)實驗教學(xué)的數(shù)字化時代，該產(chǎn)品已被編入人教版、滬教版和粵教版等國內(nèi)多家新課標(biāo)物理教材，成為信息技術(shù)與物理教學(xué)理念整合的優(yōu)秀載體。 上海 華師京城高新技術(shù)股份有限公司是我國教育信息化整體解決方案的領(lǐng)先提 供商，其生產(chǎn)的產(chǎn)品包括虛擬實驗室、仿真實驗室、數(shù)字傳感器實驗室三大系統(tǒng)，這三大系統(tǒng)構(gòu)成了全方位的數(shù)字化實驗室，可以滿足各學(xué)科實驗教學(xué)的各種需求。北京友高教育科技公司隸屬于北京師范大學(xué)產(chǎn)業(yè)總公司教育技術(shù)研究所，其生產(chǎn)的友高數(shù)字化實驗室是一整套新型的數(shù)字化教學(xué)設(shè)備，它為實驗教學(xué)提供了一個開放的平臺。 寧波 GQY 公司針對國家二期課改，與國家教育部教學(xué)儀器研究所合作研發(fā)的 GQYeLab 系列產(chǎn)品，主要適用于教育系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物以及相關(guān)探究性實驗。 就產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計而言，國外品牌要遠遠好 于國產(chǎn)品牌 ， 但在價格上，國產(chǎn)的基本上是進口的 1/3左右，并且所有的實驗設(shè)計與教學(xué)大綱高度吻合。進口的美國品牌 PASCO憑借其出色的拓展實驗?zāi)芰蛢?yōu)良的質(zhì)量，成為高端市場的霸主。在所有國產(chǎn)數(shù) 字化實驗設(shè)備中，山東遠大的朗威由于有與 上海市教委合作的先天優(yōu)勢，其產(chǎn)品市場占有率最高。本文主要應(yīng)用朗威 數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室 來研究優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)的問題。 數(shù)字化實驗系統(tǒng)的構(gòu)成 朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室 （簡稱朗威 DISLab） 由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、軟件和圖 2 國 內(nèi) 著名 數(shù)字化實驗產(chǎn)品公司 Fig. 2 Domestic famous digital experiment products pany 7 配套實驗器材構(gòu)成 （圖 3） 。 （ 1） 傳感器：將非電 學(xué)量轉(zhuǎn)化成電信號，并將電信號傳遞到數(shù)據(jù)采集器，是數(shù)字化實驗的核心部件。 其測量精度、性能與使用效果均達到先進水平。 教學(xué)中常見的傳感器包含位移傳感器、力傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、電壓傳感器、壓強傳感器、溫度傳感器、聲波傳感器、磁傳感器、光電門傳感器等 ，如圖 4 所示 。 （ 2） 數(shù)據(jù)采集器：采集來自傳 感器的數(shù)據(jù)，并傳給計算機平臺，是傳感器和計算機平臺之間的轉(zhuǎn)換器，如圖 5 所示。 （ 3） 軟件： 并行雙軟件系統(tǒng)， 包含教材專用軟件和教材通用軟件。 其 版包含 21個專用軟件， 目前教材專用軟件有不斷擴展的趨勢。 通用 軟件采用了國際通行的主流工具軟件（如 Adobe Photoshop、 VB、 VC 等）的設(shè)計風(fēng) 格，可完成物理量的顯示、數(shù)據(jù)圖 3 朗威 DISLab 系統(tǒng) 構(gòu)成 Fig. 3 The constitution of Llongwill DISLab system 錯誤 ! 錯誤 ! 錯誤 ! 錯誤 ! 注 ： 1： 傳感器 2： 數(shù)據(jù)采集器 3： 軟件 4： 配套實驗器材 圖 4 傳感器 Fig. 4 Sensors 圖 5 數(shù)據(jù) 采集器 Fig. 5 Data collection 8 記錄與計算、組合圖線分析等教學(xué)任務(wù)，如圖 6 所示。 （ 4） 配套實驗器材： 如 多用力學(xué)導(dǎo)軌、向心力實驗器、環(huán)形線圈、螺線管等 完成實驗所需要的儀器，如圖 7 所示。 數(shù)字化實驗系統(tǒng)的特點 作為全新的軟硬件一體化的數(shù)字化實驗系統(tǒng) ，非常鮮明的具有 傳感器多類型、數(shù)據(jù)采集器多通道、自主操控平臺多樣化 的特點，實現(xiàn)了實驗手段數(shù)字化、測量實時化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作 簡單化， 替代和超越了傳統(tǒng)觀實驗裝置和儀 器儀表，大幅度提高了實驗質(zhì)量與 效率，顯著擴展了學(xué)生的實驗操作空間。 在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，能夠自動、連續(xù)、快捷地采集數(shù)據(jù)，能夠檢測到信號量的微小變化和瞬時變化，大大擴展了研究范圍。 （ 1） 微小變化量的采集 例如，在人民教育出版社出版的高中物理新課標(biāo)教材 —— 選修 32 第四章第 2 節(jié)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”有個“做一做”欄目 —— 搖繩能發(fā)電嗎，這個實驗要取得成功比較困難，但用朗威 DISLab 則很容易達到明顯的實驗效果。采用微電流傳感器、帶屏蔽的多匝實驗線圈等實驗器材，可以輕松采集到微弱地磁場的磁通量變化時產(chǎn)生的微小感應(yīng)電流 （圖 8） ，并且可以通過實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)實驗線圈平面與地磁場垂直時轉(zhuǎn)動線圈，產(chǎn)生的感應(yīng)電流比較大。 圖 6 軟件 界面 Fig. 6 Software Interface 圖 7 配套 實驗器材 Fig. 7 Supporting experimental equipments 圖 8 地磁場變化產(chǎn)生微弱 感應(yīng) 電流 Fig. 8 A week induced current created by the change of Earth39。s magic field 9 （ 2） 瞬時數(shù)據(jù)的采集 例如，傳統(tǒng)實驗一般是運用打點計時器每隔 在紙帶上間接記