【正文】 nd Integration。 關(guān)鍵詞 ： 高中物理；數(shù)字化實(shí)驗(yàn) ； 優(yōu)化整合 ； 實(shí)驗(yàn)教學(xué) The Study of High School Physics Experiment Teaching Using Digital Experiment Platform ******** School of Physical Science and Technology, Southwest China University, Chongqing 400715, China Abstract: In the era of knowledge economy background, the digital experimental system conforms to the trend of new basic education curriculum reform, expanding the depth and breadth of physics experiments, creating a new world of physics experiment teaching. Based on the literature survey, this paper mainly describes the development status as well as structure and characteristics of digital experimengtal system。 1 發(fā)表的論文 ..................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 2 指導(dǎo)的論文 ..................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 the paper conductes a parative study of the digital experiment and the traditional experiment from the threedimensional perspective, and then on discusses the ways and means to improving and expanding traditional experiments by using digital experimental system。 Experiment teaching 1 1 引言 研究背景 自上世紀(jì) 90 年代進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代以來(lái)，信息技術(shù)深刻改變著人類社會(huì)的生產(chǎn)生活方式。我們現(xiàn)在正朝著正確的方向前進(jìn)。其改革步伐之大、速度之快、難度之大 是前七次改革所不可比擬的。通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)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。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比， 我國(guó) 確實(shí)是落后了很多，但中國(guó)正在這方面奮勇直追。s Education Publishing House new high school physics textbook using DIS Statistics 序號(hào) 教材 欄目 實(shí)驗(yàn) 頁(yè)碼 1 必修 1 做一做 借助傳感器用計(jì)算機(jī)測(cè)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(jì)算機(jī)研究平拋運(yùn)動(dòng) 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(chǎng) P89 6 選修 32 用電流傳感器演示自感對(duì)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(jì)算機(jī)探究氣體等溫變化的規(guī)律 P19 9 選修 34 用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像 P4 10 選修 34 用光傳感器做雙縫的干涉實(shí)驗(yàn) P58 11 選修 34 用光傳感器做單縫的干涉實(shí)驗(yàn) P60 12 選修 34 用傳感器和計(jì)算機(jī)觀察 振蕩電流 P79 13 選修 35 用傳感器測(cè)量放射性 P75 注：統(tǒng)計(jì)的教材版次為 2020 年 4 月第 3 版 研究現(xiàn)狀 中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)掌門人馮容士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化時(shí)代 ，緊跟教育教學(xué)的現(xiàn)實(shí)需要和時(shí)代趨勢(shì)，開(kāi)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(shí)驗(yàn)器材，取得了豐碩的成果。 （ 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(diǎn)，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。 （ 4） 專門為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)校本教材，設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)字化信息系統(tǒng)的具體案例。 這也是本研究比較創(chuàng)新的地方。將基于現(xiàn)代信息技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)， 首先 可以從量化和客觀兩個(gè)方面減少或解決這種“尷尬” ；其次， 還能突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的限制， 為學(xué)生改進(jìn)學(xué)習(xí)方法、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、提高探究能力創(chuàng)造了強(qiáng)有 力的物質(zhì)條件， 開(kāi)創(chuàng)高中物理實(shí)驗(yàn)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(shí)代要求和教育趨勢(shì)。 5 2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹 現(xiàn)階段，關(guān)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 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(jìn)行狹義的定義，它是指由“傳感器 +數(shù)據(jù)采集器 +實(shí)驗(yàn)軟件包 +計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 美國(guó)的 PASCO 公司、Vernier 公司、德州儀器公司，英國(guó)的 Pico Technology 公司生產(chǎn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛。 目前國(guó)內(nèi)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品處于起始階段，專門從事為教育領(lǐng)域開(kāi)發(fā)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的公司主要有山東遠(yuǎn)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(guó)外著名 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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。 寧波 GQY 公司針對(duì)國(guó)家二期課改，與國(guó)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(shí)驗(yàn)。本文主要應(yīng)用朗威 數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 來(lái)研究?jī)?yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題。 教學(xué)中常見(jiàn)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(qiáng)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 。 通用 軟件采用了國(guó)際通行的主流工具軟件（如 Adobe Photoshop、 VB、 VC 等）的設(shè)計(jì)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(cuò)誤 ! 錯(cuò)誤 ! 錯(cuò)誤 ! 錯(cuò)誤 ! 注 ： 1： 傳感器 2： 數(shù)據(jù)采集器 3： 軟件 4： 配套實(shí)驗(yàn)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(jì)算、組合圖線分析等教學(xué)任務(wù)，如圖 6 所示。 （ 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(gè)“做一做”欄目 —— 搖繩能發(fā)電嗎，這個(gè)實(shí)驗(yàn)要取得成功比較困難，但用朗威 DISLab 則很容易達(dá)到明顯的實(shí)驗(yàn)效果。 （ 3） 暫態(tài)數(shù)據(jù)的采集 稍縱即逝的瞬間 ， 也包含著豐富的物理圖景 。為突破這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，不少老師嘗試用比較靈敏的電流計(jì)來(lái)演示，可是依然難以讓現(xiàn)象非常明顯可觀。 在觀察環(huán)節(jié) ，實(shí)時(shí)顯示、 直觀 、 明顯 ， 極大擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的可視性和可重復(fù)性 。像游標(biāo)卡尺、天平、直尺、溫度計(jì)等都使用超過(guò)了 100 年，而打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電壓表等設(shè)備也有數(shù)十年的歷史。 顯然，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒(méi)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備豐富，其配套實(shí)驗(yàn)器材之間的重新組合不是很特別自由，改進(jìn)的空間依然很大。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)需要人工讀取、記錄，由于人的感覺(jué)器官能力的限制，如照準(zhǔn)、估讀、記錄之類的偶然誤差是必然存在的，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差中占了相當(dāng)大的比例。 運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 則可 以在很大程度上 提高數(shù)據(jù)采集、處理、分析 的 效率。 面對(duì)昂貴的建設(shè)費(fèi)用，中學(xué)對(duì)此的投資比較慎重。 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在 “ 軟件 ” 方面的比較 新課程改革強(qiáng)調(diào)從知識(shí)與技能 、 過(guò)程與方法 、 情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度全面培養(yǎng)學(xué)生 ， 為學(xué)生終身發(fā)展 、 應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ) 。首先，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地采集數(shù)據(jù)，在分析動(dòng)態(tài)問(wèn)題上 具有不言而喻的優(yōu)勢(shì)。從而讓學(xué)生開(kāi)闊了視野，突破了認(rèn)知知識(shí)方面的某些局限，更清晰全面地 認(rèn)識(shí)、 理解、掌握物理概念和規(guī)律。 合理選擇和正確使用儀器的能力 傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)十分重視這方面能力 的培養(yǎng) 。至于讀數(shù)、精 度等都由儀器本身來(lái)完成。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方便性原則。但由于計(jì)算過(guò)程太過(guò)冗長(zhǎng)，學(xué)生用于探索研究的時(shí)間就很少很少。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于儀器的簡(jiǎn)陋，操作的繁瑣，一些必要的測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn) ， 限制了學(xué)生 探究和鉆研的深度和廣度。 物理學(xué)基本研究方法的了解與掌握 在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生總會(huì)遇到各種意想不到的“意外”，而這卻是學(xué)生良好注意力 、洞察力、想象力 的體現(xiàn)。 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于過(guò)分重視基本技能的培養(yǎng)，學(xué)生習(xí)慣于按部就班的做實(shí)驗(yàn)。 而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)獨(dú)特的數(shù)形結(jié)合功能，函數(shù)模擬功能，以及先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，為優(yōu)化學(xué)習(xí)方式、學(xué)會(huì) 學(xué)習(xí)、倡導(dǎo)自主探究、實(shí)踐體驗(yàn)和合作交流提供了空間和時(shí)間。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程與物理規(guī)律同時(shí) 對(duì)應(yīng)，即刻激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于探究問(wèn)題。由于自然科學(xué)的客觀性，自然規(guī)律的精確性，導(dǎo)致不少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能從定量的角度開(kāi)展研究。 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，教育信息化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 。應(yīng)該依據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，選擇不同的實(shí)驗(yàn)手段，或者取長(zhǎng)補(bǔ)短，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的思想與現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。 應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以 有效突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)物理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)新天地，激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)直觀性、趣味性和形象性，使學(xué)生學(xué)得活、用得好、記得牢，同時(shí)又增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)、積累 實(shí)踐性知識(shí)，擴(kuò)大科學(xué)探究的廣度、挖掘科學(xué)探究的深度，使學(xué)生在掌握物理基礎(chǔ)知識(shí)和技能的同時(shí)，提高動(dòng)手能力、探究問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理教學(xué)的有效整合。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?： 探究 加速度與力 、 質(zhì)量的關(guān)系 。 實(shí)驗(yàn)操作： （ 1） 將位移 傳感器接收模塊固定在軌道的一端，連接到數(shù)據(jù)采集器第 1 通道；將位移傳感器發(fā)射模塊固定到小車上。 （ 4） 在窗口下方的表格內(nèi)輸入小車的質(zhì)量及拉力數(shù)值 。 圖 14 平衡 摩擦力 Fig. 14 Balance friction 圖 15 研究區(qū)域內(nèi) vt 圖像對(duì)應(yīng)的加速度 Fig. 15 The Vt image within study area Corresponding to the acceleration 18 （ 7） 軟件窗口下方的表格中自動(dòng)顯示該段 vt 圖線對(duì)應(yīng)的加速度，如圖 15 所示。 （ 11） 點(diǎn)擊 “ aM 圖像 ” 按鈕 ， 可得到加速度與質(zhì)量關(guān)系圖線 ， 如圖 17 所示。 （ 2） 多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能導(dǎo)致軌道發(fā)生移動(dòng)，打破摩擦力平衡狀態(tài)。 牛頓第二定律定量體現(xiàn)了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 ，在高中物理中居于重要地位。 在實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法的時(shí)候 ， 發(fā)現(xiàn)存在較大困難 ， 得重新制作一套實(shí)驗(yàn)器材 ， 而且要求工藝較高 ，就放棄了從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)驗(yàn)證。 實(shí)例 2：動(dòng)量定理 力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 —— 牛頓第二定律 —— 最初是用動(dòng)量的概念表示出來(lái)的 ， 通過(guò)變形處理就可以得到動(dòng)量定理 ， 人教新課標(biāo)高中物理選修 35 第十 六 章第 2 節(jié)是這樣引出動(dòng)量定理的，并沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)的角度予以驗(yàn)證或探究。運(yùn)用數(shù)字化 實(shí)驗(yàn)設(shè)備則可以將傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)和新的實(shí)驗(yàn)探究結(jié)合，從而打破這一局限。比較小車在變力的作用下沖量與動(dòng)量的變化關(guān)系。 （ 2） 將光電門傳感器和力傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器的第 2 通道，將光電門傳感器用支架固定在軌道的一側(cè)。 （ 6） 推動(dòng)小車通過(guò)光電門傳感器 ， 小車然后與力傳感器的測(cè)鉤碰撞 ， 經(jīng)反彈后又通過(guò)光電門傳感器 ， 則擋光片兩次通過(guò)光電門傳 感器的擋光時(shí)間 t1記錄在表格中 。 m/s) △ p(kgm/s) △p(kg 誤差分析 ： （ 1） 由于軌道摩擦的存在，小車返回通過(guò)光電門時(shí)的速度并不是其碰撞結(jié)束后的瞬間速度； （ 2） 由于擋光片寬度較大 ， 通過(guò)光電門測(cè)出的速度并不是其通過(guò)光電門時(shí)的瞬時(shí)速度 ； （ 3） 在計(jì)算過(guò)程中有一定程度上的四舍五入 ， 用于計(jì)算的數(shù)據(jù)并不是實(shí)際數(shù)據(jù) 。 應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)將磁傳感器運(yùn)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，則會(huì)開(kāi)創(chuàng)有關(guān)磁教學(xué)的新局面 。為什么要提到這個(gè)問(wèn)題呢？ 在自主招生 教學(xué)實(shí)踐中 ， 發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對(duì)這一結(jié)論的理解并不是很透徹 ，誤認(rèn)為