【正文】 tructure and characteristics of digital experimengtal system。 proposing tactics for application of digital experiments to optimize high school physics experiment teaching, which is to strengthen and improve high school physics experiment teaching with references. Key word: High School Physics。 Optimization and Integration。難怪英特爾公司前總裁 —— 葛魯夫如此強(qiáng)烈地感嘆：“在當(dāng)今世界，一切能做到的，終將做到。一切信息均以數(shù)字方式傳遞，一切信息均能以數(shù)字存儲(chǔ)。數(shù)字化信息必將永存！” 伴隨著信息技術(shù)日新月異地發(fā)展 ， 社會(huì)對(duì)人才的培養(yǎng)要求越來越高， 傳統(tǒng)化教育正在向 信息化教學(xué)方向轉(zhuǎn)變 。 2020 年，我國(guó)啟 動(dòng)了 新一輪（ 第八次 ） 基礎(chǔ)教育課程改革。 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(dòng)地獲得生動(dòng)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。 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》指出：“加強(qiáng)與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(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(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考?！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(shí)驗(yàn)，諸如通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果”。 國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本等國(guó)家，在上個(gè)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。 我國(guó)從 2020 年開始逐漸在物理學(xué)科教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海地區(qū)，已經(jīng)從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式逐步過渡到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方式。 表 1 人教新課標(biāo)高中物理教材使用 DIS 實(shí)驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì) Tap. 1 People39。 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(diǎn)研究領(lǐng)域之一，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是其具體的表現(xiàn)。 關(guān)于中學(xué)物理教育全國(guó)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例。以中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)情的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展道路 ，致力于改進(jìn)、完善數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品在硬件3 和軟件上的不足。在物理教學(xué)等幾大期刊上可以找到很多這方面的研究。 隨著我國(guó)課程教材體系的改革，像長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海等一些經(jīng)濟(jì)、教育比較發(fā)達(dá)的地方和各地區(qū)頂級(jí)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(shí)驗(yàn)校本教材。 研究?jī)?nèi)容 本課題 希望 在文獻(xiàn)調(diào)查和教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上， 總結(jié)出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及如何更好地應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此需主要在 以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： （ 1） 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及其特點(diǎn)介紹 （ 2） 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方式 三維視角下 的對(duì)比研究 （ 3） 應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)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(duì)比研究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式，以及在課 外物理教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方面進(jìn)行初步的研究。 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?cè)趯?shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備。很多時(shí)候， 在概念、規(guī)律等知識(shí)講授中 摻入了人為的“理想化分析結(jié)果”。 本課題希望通過 在 對(duì)比研究 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的基礎(chǔ)上，總結(jié)出如何在先進(jìn)教學(xué)理念指引下更好地應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 這將對(duì)我們?cè)诮虒W(xué)中具體實(shí)施新課程標(biāo)準(zhǔn)有很大的參考意義，同時(shí)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的終生發(fā)展的興趣和能力。作為 信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的重要載體， 它 依托傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)平臺(tái)， 集 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、顯示 、分析、處理于一體，兼容傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具、替代多種儀表，是理科實(shí)驗(yàn) 教學(xué)平臺(tái)。 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開發(fā)方面 ， 起步較早，技術(shù)也比較成熟 。除此之外，較為著名的公司 還 有以色列 fourrier 公司、韓國(guó)數(shù)字株式會(huì)社。它生產(chǎn)的先進(jìn)的教學(xué)儀器已被 世界上很多國(guó)家的中學(xué)和大學(xué)廣泛使用 PASCO 公司的產(chǎn)品，我國(guó)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(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)品。 山東遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室開啟了國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化時(shí)代，該產(chǎn)品已被編入人教版、滬教版和粵教版等國(guó)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。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(shí)驗(yàn)室是一整套新型的數(shù)字化教學(xué)設(shè)備，它為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)開放的平臺(tái)。 就產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)而言，國(guó)外品牌要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好 于國(guó)產(chǎn)品牌 ， 但在價(jià)格上，國(guó)產(chǎn)的基本上是進(jìn)口的 1/3左右，并且所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)大綱高度吻合。在所有國(guó)產(chǎn)數(shù) 字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，山東遠(yuǎn)大的朗威由于有與 上海市教委合作的先天優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)品市場(chǎng)占有率最高。 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成 朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 （簡(jiǎn)稱朗威 DISLab） 由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、軟件和圖 2 國(guó) 內(nèi) 著名 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品公司 Fig. 2 Domestic famous digital experiment products pany 7 配套實(shí)驗(yàn)器材構(gòu)成 （圖 3） 。 其測(cè)量精度、性能與使用效果均達(dá)到先進(jìn)水平。 （ 2） 數(shù)據(jù)采集器：采集來自傳 感器的數(shù)據(jù)，并傳給計(jì)算機(jī)平臺(tái)，是傳感器和計(jì)算機(jī)平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)換器，如圖 5 所示。 其 版包含 21個(gè)專用軟件， 目前教材專用軟件有不斷擴(kuò)展的趨勢(shì)。 （ 4） 配套實(shí)驗(yàn)器材： 如 多用力學(xué)導(dǎo)軌、向心力實(shí)驗(yàn)器、環(huán)形線圈、螺線管等 完成實(shí)驗(yàn)所需要的儀器，如圖 7 所示。 在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，能夠自動(dòng)、連續(xù)、快捷地采集數(shù)據(jù)，能夠檢測(cè)到信號(hào)量的微小變化和瞬時(shí)變化，大大擴(kuò)展了研究范圍。采用微電流傳感器、帶屏蔽的多匝實(shí)驗(yàn)線圈等實(shí)驗(yàn)器材，可以輕松采集到微弱地磁場(chǎng)的磁通量變化時(shí)產(chǎn)生的微小感應(yīng)電流 （圖 8） ，并且可以通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)實(shí)驗(yàn)線圈平面與地磁場(chǎng)垂直時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)線圈，產(chǎn)生的感應(yīng)電流比較大。s magic field 9 （ 2） 瞬時(shí)數(shù)據(jù)的采集 例如，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般是運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔 在紙帶上間接記錄物體的位置，進(jìn)而再對(duì)紙帶進(jìn)行處理計(jì)算物體在某段時(shí)間間隔內(nèi)的平均速度，但采用朗威 DISLab 位移 傳感器及其相應(yīng)器材可以更高頻率直接實(shí)時(shí)記錄物體的位移和瞬時(shí)速度，如圖 9 所示。 將這短暫的過程清晰呈現(xiàn) ，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備就無能為力了。例如，在講解電容的 充放電的時(shí)候，很多學(xué)生難以理解“斷路”也有電流。采用微電流傳感器，則可將瞬間變化的微電流異常細(xì)微地展現(xiàn)出來，如圖 10 所示。 例如，在探究物體的加速度 a 與物體的質(zhì)量 m、物體受到的合外力 F 間的關(guān)系時(shí)，運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段則會(huì)花大量是時(shí)間對(duì)紙帶進(jìn)行處理計(jì)算物體的加速度，但直接 運(yùn)用朗威 DISLab 中的教材專用軟件 —— 牛頓第二定律，則可避免簡(jiǎn)單、機(jī)械、繁瑣的數(shù)據(jù)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(shí) 速度 的 測(cè)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(guān)系，不僅提高了實(shí)驗(yàn)精確度，更提高了效率。 例如，采用朗威 DISLab 中的教材專用軟件 —— 從 vt 圖求加速度，點(diǎn)擊“開始記錄”后，窗口會(huì)實(shí)時(shí)顯示物體的速度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)曲線，如圖 11 所示。 圖 11 實(shí)時(shí) 顯示速度 Fig. 11 Realtime display speed 圖 12 實(shí)時(shí) 顯示力 Fig. 12 Realtime display fore 11 3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的比較 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是相對(duì)于 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)而言的，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備 沿用了近代物理學(xué)中的經(jīng)典儀器。 除此之外，其最鮮明的特點(diǎn)就是將日常生活中的常見物品應(yīng)用到其中。 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所用到的設(shè)備，絕大多數(shù)是以 1 19 世紀(jì)的物理學(xué)知識(shí)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(diǎn)計(jì)時(shí)器、電壓表、電流表、溫度計(jì)等。 盡管用傳感器代替了部分測(cè)量?jī)x表，但并沒有脫離傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，而是借助其 優(yōu)勢(shì)填補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中諸如微小量、瞬時(shí)量測(cè)量等多個(gè) 空白，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的 有效 整合 。 誤差比較 實(shí)驗(yàn)誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而基本消除了偶然誤差。 實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較 一般情況來說，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要占用比較多的 課堂時(shí)間 ,尤其是量化的數(shù)據(jù)測(cè)量 和數(shù)據(jù)處理 時(shí) ， 緊張的時(shí)間往往成為制約 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施的最大瓶頸。 除了必須要緩慢變化的實(shí)驗(yàn)之外，比如氣體定律的實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)從完成 的 速度來看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段 所用時(shí)12 間要 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 少于 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段 所用的時(shí)間 ， 這為中學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)打開了一片新天地。整個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備的費(fèi)用是傳 統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的 7 到 8 倍。在重慶市第十一中學(xué)實(shí)習(xí)期間，指導(dǎo)學(xué)生參加重慶市第三屆科技小論文大賽時(shí)，本來 學(xué)生的有些想法是非常適合開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究的，可惜沒有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，難以有效開展實(shí)驗(yàn)。一方面，由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shù)的高速發(fā)展導(dǎo)致儀器的更新?lián)Q代速度加快，幾年的時(shí)間里原來的實(shí)驗(yàn)儀器就會(huì)老化，精確度降低，這些都 會(huì) 導(dǎo)致數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 的維護(hù)成本高。 因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也需在這三個(gè)維度比較數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的異同。 與現(xiàn)代信息技術(shù)密切結(jié)合的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在幫助學(xué)生認(rèn)知、理解、掌握物理概念和規(guī)律上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。其次，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量精確、快速，操作靈活、簡(jiǎn)便， 易于發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證有關(guān)物理量間的關(guān)系，對(duì)定量研究物理學(xué)規(guī)律非常適用。最后， 實(shí)驗(yàn)誤差小，從而使物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證更具嚴(yán)謹(jǐn)性和可信度。 物理實(shí)驗(yàn)基本技能掌握 觀察能力 13 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般需要多次觀察、重復(fù)測(cè)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。 兩者相比，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于培養(yǎng)細(xì)致、認(rèn)真、耐心等觀察習(xí)慣，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生在觀察中思考探究能力。首先要分清儀器的 量程，待測(cè)量不能超過量程；其次儀器的精 度必須符合實(shí)驗(yàn)要求；最后 還要 了解儀器使用的基本要求。它只要求學(xué)生基本了解各種傳感器的使用方法，會(huì)選擇合適的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集 即可。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(shí)驗(yàn)是個(gè)弱點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要的測(cè)量?jī)x器較多，操作時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)故障， 但這 有利于培養(yǎng)學(xué)生清晰、有序的思維能力及勇于克服困難的堅(jiān)強(qiáng)的意志品質(zhì)。同時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為信息采集和 數(shù)據(jù)處理工具，提高了學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的操作技能和運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)的能力。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理過程中，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力，作圖能力及利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的能力。 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則正好相反，計(jì)算、描點(diǎn)、作圖的工作都由計(jì)算機(jī)來完成，學(xué)生的主要任 務(wù)是根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索、研究、推測(cè)結(jié)論，然后選擇合適的函數(shù)進(jìn)行擬合。 過程 與方法維度的 比較 14 科學(xué)探究過程與科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的體驗(yàn) 基于社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新人才的需求，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力及自主探究的創(chuàng)新和鉆研能力已在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有越來越重要的地位。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則為解決這類難題提供了器材和技術(shù)保證。 在逐步開展的研究性學(xué)習(xí)中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的 應(yīng)用價(jià)值 要大于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 。 不少情況下，由于難以從實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上解決這些“意外”，事實(shí)上制約了學(xué)生的發(fā)展。歷史上 許多 著名的物理學(xué)家就是通過對(duì)很多未知現(xiàn)象的 洞察、想象 ，進(jìn)行大膽的猜測(cè)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行深入的研究總結(jié)出規(guī)律的。再加上實(shí)驗(yàn)條件本身的限制，對(duì)學(xué)生思維的廣度、深度及靈活性的培養(yǎng)不夠，使學(xué)生的想象力得不到充分的發(fā)展。 由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般較長(zhǎng)，這是非常有益于培養(yǎng)學(xué)生的注意力的。所謂見多識(shí)廣，學(xué)生思維的廣度和深度及靈活性自然會(huì)有所增加，從而也會(huì)拓展學(xué)生的想象空間，增強(qiáng)他們 洞察力和想象力 。 采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，使學(xué)生更具有探索未知領(lǐng)域的興趣、情感、意志和毅力等。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程營(yíng)造了一個(gè)向未知境界不斷探索的學(xué)習(xí)15 環(huán)境，有利學(xué)生學(xué)習(xí)情感的培養(yǎng)。 培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng) 實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度要求學(xué)生尊重事實(shí)、忠于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備先進(jìn)，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