【正文】 實驗結(jié) 果 ： 由圖 32 可知 ， 最大靜摩擦力約大于滑動摩擦力，由于偏差很小，可以認(rèn)為最大靜摩擦力大小等于滑動摩擦力大小。實驗時，拉動物塊下面的長木板，不論木板怎樣運動，物塊均保持靜止，用力傳感器測出物塊受到的拉力，依據(jù)二力平衡可知物塊受到的摩擦力大小。 此外，我們還可以進一步研究通電螺線管內(nèi)部的磁 感應(yīng)強度與螺線管中的電流大小間的關(guān)系，或從理論和實際結(jié)合的角度，用 Matlab 來研究理論值和實際值間的偏差。 取三條圖線中基本水平 部分的最大值和最小值，求出差值，然后就可以知道對應(yīng)的相對誤差。 （ 7） 打開教材通用軟件，將位移傳感器、磁傳感器調(diào)零。但是，這樣操作首先需要多次手動記錄數(shù)據(jù)，比較煩瑣；其次，不能實時顯示磁感應(yīng)強度大小變化情況。 （ 4） 增加變量“ s”表示磁傳感器移動的 相對距離，記錄當(dāng)前的磁感應(yīng)強度值，輸入s 值為“ 0”。為解決這一問題 ，自行 制作了一個 長度近 20cm、半徑約為 的 螺線管，如圖 23 所示。 新課標(biāo)人教選修 31 教材在第 89 頁 的“做一做 ”欄目中介紹了用磁傳感器研究磁場的相關(guān)內(nèi)容 。m/s) 1 2 注： t1：擋光片通過光電門傳感器時間； s:擋光片寬度； v:小車通過光電門時速度； m:小車質(zhì)量；p:小車動量大??； △p:小車動量變化量 表 3 小車動量變化量計算 Calculate the amount of change of momentum trolley 計算表格 t1(s) s(m) v(m/s) m(kg) p(kg （ 7） 把計算表格中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 excel 中，計算得出小車的動量變化量，如表 2 所示。 20 圖 19 實驗 裝置 圖 The experimental setup 實驗器材 ： 朗威 DISLab、計算機、 DISLab力學(xué)軌道及其附件、天平等。首先，不容否定的是嚴(yán)密的知識邏輯 。尋找力和運動的定量關(guān)系是開展這一節(jié)教學(xué)的核心內(nèi)容，應(yīng)用數(shù)字化實驗系統(tǒng)改進傳統(tǒng)實驗方式，無疑可以更好地開展探究。 （ 12） 點擊“ a1/M 圖像 ” 按鈕 ， 即可得到加速度與質(zhì)量倒數(shù)的關(guān)系圖線 ， 如圖 18所示。 （ 5） 將小車放到斜面上 ， 打開位移傳感器發(fā)射模塊電源開關(guān) ， 點擊 “ 開始記錄 ”， 釋放小車 。 實驗原理 ： 用天平測出小車的質(zhì)量，繩子中的拉力直接依據(jù)砝碼讀出， 在軌道上用位移傳感器實時測出小車的速度 ， 從而 得出小車的加速度 ，通過改變鉤碼數(shù)量或小車質(zhì)量，運用控制變量法 圖 13 實驗 裝置圖 Fig. 13 The experimental setup 17 尋找加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系。 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。而數(shù)字化實驗由于實驗設(shè)備先進，使得教師能夠在教學(xué)形式上從過多的灌輸、講授物理規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)、驗證物理規(guī)律。所謂見多識廣，學(xué)生思維的廣度和深度及靈活性自然會有所增加，從而也會拓展學(xué)生的想象空間，增強他們 洞察力和想象力 。 不少情況下，由于難以從實驗基礎(chǔ)上解決這些“意外”，事實上制約了學(xué)生的發(fā)展。 數(shù)字化實驗則正好相反，計算、描點、作圖的工作都由計算機來完成，學(xué)生的主要任 務(wù)是根據(jù)數(shù)據(jù)進行探索、研究、推測結(jié)論，然后選擇合適的函數(shù)進行擬合。因此，在正確選擇和使用儀器能力的培養(yǎng)方面，數(shù)字化實驗是個弱點。 物理實驗基本技能掌握 觀察能力 13 傳統(tǒng)實驗一般需要多次觀察、重復(fù)測量，有利于培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致 耐心 的觀察習(xí) 慣、 不厭倦的良好心理品質(zhì) ，從而 提高學(xué)生的觀察能力。 因此，在實驗教學(xué)中也需在這三個維度比較數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗設(shè)備的異同。 除了必須要緩慢變化的實驗之外，比如氣體定律的實驗，大多數(shù)實驗從完成 的 速度來看，數(shù)字化實驗手段 所用時12 間要 遠遠 少于 傳統(tǒng)實驗手段 所用的時間 ， 這為中學(xué)物理的實驗教學(xué)打開了一片新天地。 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 優(yōu)勢填補了傳統(tǒng)實驗中諸如微小量、瞬時量測量等多個 空白，實現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)與物理實驗教學(xué)的 有效 整合 。 例如，采用朗威 DISLab 中的教材專用軟件 —— 從 vt 圖求加速度，點擊“開始記錄”后，窗口會實時顯示物體的速度隨時間變化的動態(tài)曲線，如圖 11 所示。 將這短暫的過程清晰呈現(xiàn) ，傳統(tǒng)實驗設(shè)備就無能為力了。 （ 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） 。 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。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。 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。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。 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。 新一輪基礎(chǔ)教育課程改革 更加追求每位學(xué)生的全面發(fā)展，更加追求學(xué)生主動地獲得生動活潑的發(fā)展，更加追求學(xué)生生命活力的展現(xiàn)，更加注重溝通生活世界與科學(xué)世界。難怪英特爾公司前總裁 —— 葛魯夫如此強烈地感嘆：“在當(dāng)今世界，一切能做到的，終將做到。 致謝 .......................................................................................................................................... 34 應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)的研究 *** 西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715 摘要 ： 在深刻變革的知識經(jīng)濟時代背景下，數(shù)字化實驗系統(tǒng)順應(yīng)了 新一輪基礎(chǔ)教育課程改革的趨勢，拓展了物理實驗的深度和廣度，開創(chuàng)了 物理實驗教學(xué) 的新天地。 本文在文獻調(diào)查的基礎(chǔ)上 ，主要 對數(shù)字化實驗系統(tǒng)的 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、 硬件結(jié)構(gòu) 及特點 進行了闡述 ； 從三維目標(biāo)視角下對數(shù)字化實驗與傳統(tǒng) 實驗進行 了 系統(tǒng)的 比較研究，進而 對 利用數(shù)字化實驗系統(tǒng) 改進、拓展 傳統(tǒng)實驗 的途徑和方法進行 了 探討 ； 提出 了應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化高中物理實驗教學(xué) 時要以先進的教學(xué)理念為指導(dǎo)等優(yōu)化 策略 ， 對加強和改進高中物理實驗教學(xué)具有一定的借鑒作用 。技術(shù)的力量不可阻擋，無論人們在前進的路上設(shè)置何種障礙，它將仍然會繼續(xù)發(fā)展。 教育部印發(fā)的 《 基礎(chǔ)教育課程改革綱要 （ 試行 ）》（ 教基 [2020]17 號）指出：“大力推進信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進現(xiàn)代信息技術(shù) 與學(xué)科 課程的整合”。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。 （ 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。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 。 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。 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。 （ 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。 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。 應(yīng)用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，則可以打破這一瓶頸。又如，突破牛頓第三定律的教學(xué)，采用朗威 DISLab 力傳感器等實驗器材，則會更直觀明顯地表明相互作用力等大方向的特點，如圖 12 所示。 這 預(yù)示著數(shù)字化實驗具有很強的拓展性，承傳并發(fā)展了傳統(tǒng)。 投入資金比較 整個數(shù)字化實驗室建設(shè)的費用在 35 萬左右，其中數(shù)字化傳感器的費用在 12 萬左右，其他電腦多媒體和實驗室改造的建設(shè)費用在 23 萬左右。 知識與技能維度的比較 物理學(xué)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí) 不管是傳統(tǒng)實驗，還是數(shù)字化實驗，都有助于學(xué)生認(rèn)知、理解、掌握高中物理中的基本概念和規(guī)律。 數(shù)字化實驗不要求學(xué)生了解傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等的內(nèi)部構(gòu)造，對實驗器材的觀察少了不少要求 ，但 將 學(xué)生 積極的思維活動寓于現(xiàn)象觀察之中，對學(xué)生觀察圖像的能力要求較高。 實驗過程中的有序操作和排除故障的能力 正確 有序的實驗操作，是 完成實驗 的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)實驗側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生計算、作圖、歸納等基礎(chǔ)能力；數(shù)字化實驗則更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生數(shù)形結(jié)合能力、對知識和規(guī)律的探求能力，數(shù)字化實驗中的各種函數(shù)擬合功能，還有助于培養(yǎng)學(xué)生 基于 信息構(gòu)建物理模型的能力。 良好的注意力、敏銳的洞察力、豐富的想象力， 是物理研究也是創(chuàng)造性人才 不可缺少的思維品質(zhì)。 情感 態(tài)度與價值觀維度的 比較 培養(yǎng)學(xué)生的興趣、激發(fā)學(xué)生的求知欲 物理實驗 有助于 引導(dǎo)學(xué)生從感性認(rèn)知到理性認(rèn)識過渡，啟發(fā)他們認(rèn)識物理現(xiàn)象、物理問題，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的求知欲，從而轉(zhuǎn)化為探索科學(xué)知識的持久興趣和飽滿的熱情。并且數(shù)字化實驗具有很強的拓展性，能夠更 加方便地開展研究型課程和進行研究性學(xué)習(xí)，給了學(xué)生更為廣闊的進行自主發(fā)展的空間。 16 4 應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化整合高中物理實驗教學(xué) 《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》指出：“大力推進信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，逐步實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，教師的教學(xué)方式和師生互動方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，為 學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。 實驗器材： 朗威 DISLab 數(shù)據(jù)采集器、位移傳感器、 DISLab 配套力學(xué)軌道、 DISLab 配套 力學(xué)小車、支架、計算機 、天平 等。 待小車停止運動 ， 點擊 “ 停止記錄 ”。 （ 4） 實驗結(jié)果： 依據(jù)圖 1圖 18 可知，在誤差允許范圍內(nèi)，加速度與力成正比、與質(zhì)量成反比。 選擇這一實驗的最初想法是打算應(yīng)用數(shù)字化實驗來驗證這樣一個問題 ： 速度相同的不同質(zhì)量的木塊同時制動 ， 它們的滑行距離是一樣遠的 ； 而速度相同的不同質(zhì)量的汽車同時制動 ， 依據(jù)生活經(jīng)驗可知 ： 質(zhì)量大的汽車滑行距離遠 。其次，由于運用傳統(tǒng)實驗設(shè)備不便于測量力作用的時間和力的大小，在傳統(tǒng)實驗器材范疇內(nèi)難以設(shè)計實驗驗證或探究動量定理。 實驗裝置 圖： 如圖 19 所示。 （ 8） 在“組合圖線”窗口中，用圖線控制功能，將碰撞時的“ Ft”圖線回放，選取有效區(qū)域后，啟用“其他處理”中的“積分”功能，計算出力與時間的積分值，即小車碰撞前后的動量變化，如圖 20 所示。m/s) △ p(kg 在有關(guān)幾種 常見的磁場的實際教學(xué)中 ， 教師一般都會直接講到通電螺線管 內(nèi)部是個勻強磁場 ， 無法使學(xué)生真正信服 。 實驗?zāi)康?： 探究 通電螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強度 大小，并研究其分布規(guī)律。 （ 5） 將磁傳感器探管推入螺線管 ， 每次移動 ， 輸入 s 值和 對應(yīng)的磁感應(yīng)強度值 ，如表 6 所示 。如在該實驗中再組合運用位移傳感器，則不僅 可以簡化操作，還可以實時觀察螺線管內(nèi)部磁 感應(yīng)強度大小變化情況。 （ 8） 點擊“組合圖線”，添加“ BS”圖線，將采樣頻率設(shè)置為 “ 50”，打開“計算表格”，點擊開始。 電源電壓 ： 電源電壓 ： 電源電壓 ： 其平均值為 %，在精度要求不高的情