【文章內容簡介】 錄物體的位置，進而再對紙帶進行處理計算物體在某段時間間隔內的平均速度，但采用朗威 DISLab 位移 傳感器及其相應器材可以更高頻率直接實時記錄物體的位移和瞬時速度，如圖 9 所示。 （ 3） 暫態(tài)數據的采集 稍縱即逝的瞬間 ， 也包含著豐富的物理圖景 。 將這短暫的過程清晰呈現 ，傳統實驗設備就無能為力了。 應用數字化實驗系統，則可以打破這一瓶頸。例如，在講解電容的 充放電的時候，很多學生難以理解“斷路”也有電流。為突破這個教學難點，不少老師嘗試用比較靈敏的電流計來演示，可是依然難以讓現象非常明顯可觀。采用微電流傳感器，則可將瞬間變化的微電流異常細微地展現出來，如圖 10 所示。 在數據處理環(huán)節(jié) ， 自動智能處理數據以及繪圖 ， 可將學生從簡單 、 機械 、 繁瑣的數據處理過程中解脫出來 ， 顯著提高了實驗結果精確度和實驗效率 。 例如，在探究物體的加速度 a 與物體的質量 m、物體受到的合外力 F 間的關系時，運用傳統實驗手段則會花大量是時間對紙帶進行處理計算物體的加速度，但直接 運用朗威 DISLab 中的教材專用軟件 —— 牛頓第二定律，則可避免簡單、機械、繁瑣的數據處圖 10 電容 充放電過程 Fig. 10 Capacitor charging and discharging process 電容 充電 電容放 電 圖 9 瞬時 速度 的 測量 Fig. 9 Measure the instantaneous velocity 10 理過程，從而將更多精力集中在研究 a 與 m、 F 間的關系，不僅提高了實驗精確度，更提高了效率。 在觀察環(huán)節(jié) ，實時顯示、 直觀 、 明顯 ， 極大擴展實驗的可視性和可重復性 。 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。又如，突破牛頓第三定律的教學，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。 圖 11 實時 顯示速度 Fig. 11 Realtime display speed 圖 12 實時 顯示力 Fig. 12 Realtime display fore 11 3 數字化實驗系統與傳統實驗設備的比較 傳統實驗是相對于 數字化實驗而言的，其實驗設備 沿用了近代物理學中的經典儀器。像游標卡尺、天平、直尺、溫度計等都使用超過了 100 年，而打點計時器、電壓表等設備也有數十年的歷史。 除此之外，其最鮮明的特點就是將日常生活中的常見物品應用到其中。 數字化實驗系統與傳統實驗設備在 “ 硬件 ” 方面的比較 實驗設備比較 數字化實驗中所用到的設備絕大多數是 以 20 世紀前沿科技作為技術理論支撐 、 20世紀下半葉得到實際應用的具有較高科技含量的裝備，其 中包括：微型計算機、傳感器、數據采集器和軟件。 傳統實驗中所用到的設備，絕大多數是以 1 19 世紀的物理學知識作為理論支撐、使用了幾十年 甚至上百年的老式裝備，其中主要包括：秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點計時器、電壓表、電流表、溫度計等。 顯然，數字化實驗設備沒有傳統實驗設備豐富，其配套實驗器材之間的重新組合不是很特別自由，改進的空間依然很大。 盡管用傳感器代替了部分測量儀表，但并沒有脫離傳統的實驗裝置，而是借助其 優(yōu)勢填補了傳統實驗中諸如微小量、瞬時量測量等多個 空白，實現了數字技術與物理實驗教學的 有效 整合 。 這 預示著數字化實驗具有很強的拓展性，承傳并發(fā)展了傳統。 誤差比較 實驗誤差分為系統誤差和偶然誤差。傳統實驗中絕大部分數據需要人工讀取、記錄，由于人的感覺器官能力的限制，如照準、估讀、記錄之類的偶然誤差是必然存在的，且在整個實驗誤差中占了相當大的比例。而數字化實驗可以自動采集實驗數據，因而基本消除了偶然誤差。產生系統誤差的最主要原因是測量儀器本身的原理、結構、材質以及元件響應度等因素引起 ， 總的來說，數字化實驗系統的系統誤差明顯小于傳統物理實驗設備的系統誤差。 實驗時間比較 一般情況來說，傳統實驗需要占用比較多的 課堂時間 ,尤其是量化的數據測量 和數據處理 時 ， 緊張的時間往往成為制約 實驗 教學設計與實施的最大瓶頸。 運用數字化實驗系統 則可 以在很大程度上 提高數據采集、處理、分析 的 效率。 除了必須要緩慢變化的實驗之外，比如氣體定律的實驗，大多數實驗從完成 的 速度來看，數字化實驗手段 所用時12 間要 遠遠 少于 傳統實驗手段 所用的時間 ， 這為中學物理的實驗教學打開了一片新天地。 投入資金比較 整個數字化實驗室建設的費用在 35 萬左右，其中數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費用在 23 萬左右。整個數字化實驗室及設備的費用是傳 統實驗室的 7 到 8 倍。 面對昂貴的建設費用，中學對此的投資比較慎重。在重慶市第十一中學實習期間，指導學生參加重慶市第三屆科技小論文大賽時，本來 學生的有些想法是非常適合開展實驗進行探究的，可惜沒有數字化實驗設備，難以有效開展實驗。 此外，數字化實驗 系統的 維護成本高。一方面，由于數字化實驗裝備屬于精密儀器，在使用的過程中容易被損壞；另一方面，信息技術的高速發(fā)展導致儀器的更新換代速度加快，幾年的時間里原來的實驗儀器就會老化，精確度降低，這些都 會 導致數字化實驗系統 的維護成本高。 數字化實驗系統與傳統實驗設備在 “ 軟件 ” 方面的比較 新課程改革強調從知識與技能 、 過程與方法 、 情感態(tài)度與價值觀三個維度全面培養(yǎng)學生 ， 為學生終身發(fā)展 、 應對現代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎 。 因此，在實驗教學中也需在這三個維度比較數字化實驗系統與傳統實驗設備的異同。 知識與技能維度的比較 物理學基礎知識學習 不管是傳統實驗，還是數字化實驗，都有助于學生認知、理解、掌握高中物理中的基本概念和規(guī)律。 與現代信息技術密切結合的數字化實驗系統，在幫助學生認知、理解、掌握物理概念和規(guī)律上明顯優(yōu)于傳統實驗。首先，數字化實驗系統可以實時動態(tài)地采集數據，在分析動態(tài)問題上 具有不言而喻的優(yōu)勢。其次，數字化實驗系統測量精確、快速，操作靈活、簡便， 易于發(fā)現或驗證有關物理量間的關系，對定量研究物理學規(guī)律非常適用。第三，由計算機代替人腦對數據進行處理，避免了繁瑣的計算或作圖過程，從而有更多的時間、精力用于研究掌握物理學規(guī)律上 。最后， 實驗誤差小，從而使物理學規(guī)律的發(fā)現或驗證更具嚴謹性和可信度。從而讓學生開闊了視野，突破了認知知識方面的某些局限，更清晰全面地 認識、 理解、掌握物理概念和規(guī)律。 物理實驗基本技能掌握 觀察能力 13 傳統實驗一般需要多次觀察、重復測量，有利于培養(yǎng)學生細致 耐心 的觀察習 慣、 不厭倦的良好心理品質 ，從而 提高學生的觀察能力。 數字化實驗不要求學生了解傳感器、數據采集器、計算機等的內部構造，對實驗器材的觀察少了不少要求 ，但 將 學生 積極的思維活動寓于現象觀察之中，對學生觀察圖像的能力要求較高。 兩者相比，傳統實驗側重于培養(yǎng)細致、認真、耐心等觀察習慣，而數字化實驗則側重于培養(yǎng)學生在觀察中思考探究能力。 合理選擇和正確使用儀器的能力 傳統物理實驗十分重視這方面能力 的培養(yǎng) 。首先要分清儀器的 量程，待測量不能超過量程；其次儀器的精 度必須符合實驗要求；最后 還要 了解儀器使用的基本要求。對數字化實驗 而言，這方面的能力要求 降低了許多。它只要求學生基本了解各種傳感器的使用方法，會選擇合適的傳感器進行數據的采集 即可。至于讀數、精 度等都由儀器本身來完成。因此，在正確選擇和使用儀器能力的培養(yǎng)方面，數字化實驗是個弱點。 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 的關鍵。傳統實驗需要的測量儀器較多，操作時間較長，實驗中容易出現故障， 但這 有利于培養(yǎng)學生清晰、有序的思維能力及勇于克服困難的堅強的意志品質。數字化實驗的操作過程相對簡單，體現了實驗設計的方便性原則。同時數字化實驗系統作為信息采集和 數據處理工具，提高了學生使用計算機的操作技能和運用現代信息技術的能力。 數據處理過程中的計算 、 作圖能力 ， 數形結合 、 探索規(guī)律 、歸納 結論的能力 傳統實驗在數據處理方面所花的時間 比較 長，學生要經過詳細的計算或描點作圖，才能夠根據計算的結果或作出 的圖象進行分析 、 歸納 、總結 ，得出結論。因此，傳統實驗在數據處理過程中，可以充分培養(yǎng)學生的計算能力，作圖能力及利用數學知識解決物理問題的能力。但由于計算過程太過冗長，學生用于探索研究的時間就很少很少。 數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，學生的主要任 務是根據數據進行探索、研究、推測結論，然后選擇合適的函數進行擬合。 傳統實驗側重于培養(yǎng)學生計算、作圖、歸納等基礎能力；數字化實驗則更加側重于培養(yǎng)學生數形結合能力、對知識和規(guī)律的探求能力，數字化實驗中的各種函數擬合功能，還有助于培養(yǎng)學生 基于 信息構建物理模型的能力。 過程 與方法維度的 比較 14 科學探究過程與科學實踐活動的體驗 基于社會發(fā)展對創(chuàng)新人才的需求，培養(yǎng)學生獨立設計實驗方案的能力及自主探究的創(chuàng)新和鉆研能力已在實驗教學中占有越來越重要的地位。傳統實驗由于儀器的簡陋，操作的繁瑣，一些必要的測量無法實現 ， 限制了學生 探究和鉆研的深度和廣度。數字化實驗則為解決這類難題提供了器材和技術保證。數字化實驗儀器具有測量范圍廣、測量精度高、操作簡便、數據分析迅速準確等特點，可以達到很高的設計要求。 在逐步開展的研究性學習中，數字化實驗的 應用價值 要大于傳統實驗 。 物理學基本研究方法的了解與掌握 在物理實驗教學過程中，學生總會遇到各種意想不到的“意外”，而這卻是學生良好注意力 、洞察力、想象力 的體現。 不少情況下，由于難以從實驗基礎上解決這些“意外”，事實上制約了學生的發(fā)展。 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。歷史上 許多 著名的物理學家就是通過對很多未知現象的 洞察、想象 ，進行大膽的猜測，在此基礎上再進行深入的研究總結出規(guī)律的。 傳統實驗由于過分重視基本技能的培養(yǎng)，學生習慣于按部就班的做實驗。再加上實驗條件本身的限制，對學生思維的廣度、深度及靈活性的培養(yǎng)不夠，使學生的想象力得不到充分的發(fā)展。因此，在 培養(yǎng)學生洞察力和想象力方面 ，傳統實驗是有所欠缺的。 由于傳統實驗實驗時間一般較長，這是非常有益于培養(yǎng)學生的注意力的。 而數字化實驗獨特的數形結合功能，函數模擬功能，以及先進的測量儀器，為優(yōu)化學習方式、學會 學習、倡導自主探究、實踐體驗和合作交流提供了空間和時間。所謂見多識廣，學生思維的廣度和深度及靈活性自然會有所增加，從而也會拓展學生的想象空間，增強他們 洞察力和想象力 。 情感 態(tài)度與價值觀維度的 比較 培養(yǎng)學生的興趣、激發(fā)學生的求知欲 物理實驗 有助于 引導學生從感性認知到理性認識過渡，啟發(fā)他們認識物理現象、物理問題，以激發(fā)學生學習物理的求知欲，從而轉化為探索科學知識的持久興趣和飽滿的熱情。 采用數字化實驗有助于激發(fā)學生學習的動機，使學生更具有探索未知領域的興趣、情感、意志和毅力等。數字化實驗的動態(tài)過程與物理規(guī)律同時 對應，即刻激發(fā)學生學習興趣，有利于探究問題。數字化實驗的動態(tài)過程營造了一個向未知境界不斷探索的學習15 環(huán)境，有利學生學習情感的培養(yǎng)。數字化的動態(tài)過程創(chuàng)設了學習的新陣地，使學生了解現代科學技術的新成就。 培養(yǎng)學生良好的科學素養(yǎng) 實事求是的科學態(tài)度要求學生尊重事實、忠于實驗數據。由于自然科學的客觀性，自然規(guī)律的精確性，導致不少傳統實驗不能從定量的角度開展研究。而數字化實驗由于實驗設備先進，使得教師能夠在教學形式上從過多的灌輸、講授物理規(guī)律轉變?yōu)橐龑W生自己去發(fā)現、驗證物理規(guī)律。并且數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習，給了學生更為廣闊的進行自主發(fā)展的空間。對培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度和樹立正確的價值觀具有積極的作用。 隨著信息技術的高速發(fā)展，教育信息化是未來發(fā)展趨勢 。將信息技術整合于中學物理課程中是新課改以來的新變化之一，在中學物理實驗教學中運用數字化實驗平臺是其具體的表現。 總的來說，我們 需要用辨證的眼光審視傳統實驗和數字化實驗， 不可將數字化實驗和傳統實驗對立起來：片面強調數字化實驗系統的優(yōu)點，而拋棄傳統實驗方式；或固守傳統實驗方式，對數字化實驗系統嗤之以鼻。 在不同的方面，這兩 種實驗 方式 的側重點有所不同。應該依據具體的實驗內容和教學目標，選擇不同的實驗手段，或者取長補短，將傳統實驗的思想與現代信息技術結合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。 這將對我們在教學中具體實施新課程標準有很大的參考意義，同時更有利于培養(yǎng)學生的終生發(fā)展的興趣和能力。 16 4 應用數字化實驗平臺優(yōu)化整合高中物理實驗教學 《基礎教育課程改革綱要（試行）》指出：“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式，學生的學習方式，教師