【正文】 ，擴大科學(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)知識和技能的同時，提高動手能力、探究問題的能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)信息技術(shù)與物理教學(xué)的有效整合。 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。應(yīng)該依據(jù)具體的實驗內(nèi)容和教學(xué)目標，選擇不同的實驗手段，或者取長補短，將傳統(tǒng)實驗的思想與現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。 總的來說，我們 需要用辨證的眼光審視傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗， 不可將數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗對立起來：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。 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，教育信息化是未來發(fā)展趨勢 。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。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)實驗不能從定量的角度開展研究。數(shù)字化的動態(tài)過程創(chuàng)設(shè)了學(xué)習(xí)的新陣地，使學(xué)生了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成就。數(shù)字化實驗的動態(tài)過程與物理規(guī)律同時 對應(yīng)，即刻激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于探究問題。 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)生從感性認知到理性認識過渡，啟發(fā)他們認識物理現(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。 而數(shù)字化實驗獨特的數(shù)形結(jié)合功能，函數(shù)模擬功能，以及先進的測量儀器，為優(yōu)化學(xué)習(xí)方式、學(xué)會 學(xué)習(xí)、倡導(dǎo)自主探究、實踐體驗和合作交流提供了空間和時間。因此，在 培養(yǎng)學(xué)生洞察力和想象力方面 ，傳統(tǒng)實驗是有所欠缺的。 傳統(tǒng)實驗由于過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驗。 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)。 物理學(xué)基本研究方法的了解與掌握 在物理實驗教學(xué)過程中，學(xué)生總會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)。數(shù)字化實驗儀器具有測量范圍廣、測量精度高、操作簡便、數(shù)據(jù)分析迅速準確等特點，可以達到很高的設(shè)計要求。傳統(tǒng)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(xiàn) ， 限制了學(xué)生 探究和鉆研的深度和廣度。 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。但由于計算過程太過冗長，學(xué)生用于探索研究的時間就很少很少。 數(shù)據(jù)處理過程中的計算 、 作圖能力 ， 數(shù)形結(jié)合 、 探索規(guī)律 、歸納 結(jié)論的能力 傳統(tǒng)實驗在數(shù)據(jù)處理方面所花的時間 比較 長，學(xué)生要經(jīng)過詳細的計算或描點作圖，才能夠根據(jù)計算的結(jié)果或作出 的圖象進行分析 、 歸納 、總結(jié) ，得出結(jié)論。數(shù)字化實驗的操作過程相對簡單，體現(xiàn)了實驗設(shè)計的方便性原則。 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。至于讀數(shù)、精 度等都由儀器本身來完成。對數(shù)字化實驗 而言，這方面的能力要求 降低了許多。 合理選擇和正確使用儀器的能力 傳統(tǒng)物理實驗十分重視這方面能力 的培養(yǎng) 。 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。從而讓學(xué)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。第三，由計算機代替人腦對數(shù)據(jù)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(xué)規(guī)律上 。首先，數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以實時動態(tài)地采集數(shù)據(jù)，在分析動態(tài)問題上 具有不言而喻的優(yōu)勢。 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)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗設(shè)備在 “ 軟件 ” 方面的比較 新課程改革強調(diào)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(xué)生 ， 為學(xué)生終身發(fā)展 、 應(yīng)對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ) 。 此外，數(shù)字化實驗 系統(tǒng)的 維護成本高。 面對昂貴的建設(shè)費用，中學(xué)對此的投資比較慎重。 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。 運用數(shù)字化實驗系統(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。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的最主要原因是測量儀器本身的原理、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及元件響應(yīng)度等因素引起 ， 總的來說，數(shù)字化實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差明顯小于傳統(tǒng)物理實驗設(shè)備的系統(tǒng)誤差。傳統(tǒng)實驗中絕大部分數(shù)據(jù)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(dāng)大的比例。 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)。 顯然，數(shù)字化實驗設(shè)備沒有傳統(tǒng)實驗設(shè)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。 數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗設(shè)備在 “ 硬件 ” 方面的比較 實驗設(shè)備比較 數(shù)字化實驗中所用到的設(shè)備絕大多數(shù)是 以 20 世紀前沿科技作為技術(shù)理論支撐 、 20世紀下半葉得到實際應(yīng)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(shù)據(jù)采集器和軟件。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(shè)備也有數(shù)十年的歷史。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。 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(fù)性 。 在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié) ， 自動智能處理數(shù)據(jù)以及繪圖 ， 可將學(xué)生從簡單 、 機械 、 繁瑣的數(shù)據(jù)處理過程中解脫出來 ， 顯著提高了實驗結(jié)果精確度和實驗效率 。為突破這個教學(xué)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(xiàn)象非常明顯可觀。 應(yīng)用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，則可以打破這一瓶頸。 （ 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 。 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。 （ 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。 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。 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。 （ 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。 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 。 （ 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。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。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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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)。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。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。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 。 這也是本研究比較創(chuàng)新的地方。 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。 （ 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。 （ 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。 （ 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。基于數(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 。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