浅议利用数字化信息系统改进 高中物理实验教学的方法

来源:用户上传      作者:孙科

　　摘 要：实验教学是高中物理教学的重点和难点，也是落实物理学科核心素养的重要环节。按照传统物理实验教学方式，在具体物理实验过程中，数据的观察和统计都比较困难。在现代化教育技术发展的背景下，为了更好地开展高中物理实验教学，利用数字化信息系统改进高中物理实验教学成为一种必然趋势。利用专业的物理实验传感器，可以让学生在物理教学的过程中更直观、更真实地了解物理的数据以及某些较为抽象的原理与公式。
　　关键词：高中物理;数字化信息系统实验室;实验教学
　　一、 基于核心素养下高中物理实验教学的分析
　　物理是一门非常注重实验的学科，实验教学是高中物理教学中最为重要的内容之一。尤其是新高考背景下，高中物理核心素养的提出，要求高中生具备科学探究精神和能力，实验教学的地位进一步提升。从高中物理教学本身来讲，采用传感器来进行物理实验，可以提高效率，改善实验效果，使测量结果更加精准，更容易归纳得出实验结论，这是直接的作用。从现实的高考试题角度来讲，越来越多的考题涉及物理实验的设计、分析与计算，为了让学生取得更好的成绩，顺利进入满意的高等院校深造，也需要加强对于实验的教学和指导。
　　高中物理实验教学中传统的物理实验教学模式存在效率低，不够精确的问题。在这样的情况下，利用传感器对高中物理实验教学进行改善，就成为一种必然的选择。利用传感器改进高中物理实验教学，通常会涉及数字化信息系统实验室（Digital information system，简称DIS lab）的建设和使用，传感器是其中重要的一环，主要负责实验原始变量的感应和传递，此外还包括数据采集器、电脑终端以及相关软件等。这是现代教育技术发展应用于物理实验教学的必然结果，也是为了更好地促进高中物理实验教学发展的内在需求。
　　高中物理实验教学中的内容难度大，涉及的物理知识和原理也比较抽象，例如力、位移、电流、电压等。在传统的实验教学方式中，通常采用弹簧测力计、刻度尺、电流表、电压表等一起进行测量，实验结果通常需要花费大量时间和精力去观察、收集和整理，这就使得物理教学过程的设计和开展比较麻烦，效率低下。同时由于物理实验环境、仪器精度等因素影响，物理实验数据准确度不高，实验现象不明显。如果采用数字化信息系统实验室来进行数据收集、传输、统计和分析，不仅精确度高，而是速度快，效果明显。从长远来讲，在以后的物理研究和学习中，应用传感器的需求会越来越多，提前让高中生熟悉传感器的应用很有必要。
　　二、 数字化信息系统实验室对于高中物理实验教学的基本应用
　　（一）改进高中物理静摩擦力教学实验
　　在高中物理实验教学中，一些条件较好的学校，都会建立数字化信息系统实验室，师生可以利用实验室里面的专业实验传感器进行物理实验。比如说，力学是高中物理重点内容之一，关于力的具体测量和分析，是高中物理实验教学的重要内容之一。以人教版（必修1）高中物理教材为例，一个涉及“静摩擦力测量”的演示实验。按照传统实验方法进行测量的话，就是利用弹簧测力计来进行静摩擦力的测量，实验效果并不明显，学生无法获得直观的实验感受。
　　如果转换一下思维，运用数字化信息系统实验室来进行实验就完全不一樣了。利用数字化信息系统实验室进行实验，不再需要弹簧测力计，而是采用力学传感器、数据采集器、传感器软件、电脑（可以直接在电脑软件展示，也可以使用跟电脑连接的电脑白板上展示）。具体实验过程和方法还是类似的，只不过将弹簧测力计换成了力学传感器。在实验开始之前，需要先对传感器、数据采集器、电脑软件等进行调试，确保各项实验工具都处于正常工作状态。
　　实验分两次进行：
　　第一次：在木板上放置两个砝码，然后利用传感器拉动木块，拉动过程中，拉力方向注意要与平面保持平行，木块拉动之后，尽量保持用力均衡，让木块大致处于匀速运动状态，这样就会在电脑中的力学传感器软件上出现对应的力学图像（图1）。
　　第二次：在木板上放置四个砝码，其余实验过程同上，得到新的力学图像（图2）。
　　原本较难观察和测量的静摩擦力，通过传感器和数据采集器，直接将数据传送到电脑对应的软件上，以非常清晰和直观的方式将静摩擦力和滑动摩擦力展示出来了。通过观察上述两个图，就可以清楚地看到，最大静摩擦力与正压力有关，正压力越大，最大静摩擦力越大，并且最大静摩擦力大于滑动摩擦力。
　　（二）改进作用力和反作用力的演示实验
　　高中力学学习牛顿第三定律，主要是作用力和反作用力以及力的平衡。这是传统力学最为基础的内容之一，也是重要的演示实验内容。在没有经过科学论证和分析的时候，一些人会根据自己的“直观感受”认为作用力要大于反作用力。但实际上，作用力和反作用力大小相等。
　　如果按照传统实验演示方式，通常是用两只弹簧测力计挂钩相互钩住，然后通过两个步骤来测试，通过观察弹簧拉力计读数来观察作用力和反作用力。
　　第一个步骤，两个学生分别同时沿着相反方向拉动互相勾连的弹簧测力计，拉力同时从大到小，或者同时从小到大，让学生观察弹簧拉力计的读数。
　　第二个步骤，一个学生拉动弹簧测力计，一个学生不动，在这个过程中观察两个弹簧拉力计的读数，然后交换进行这一步骤。
　　上述实验过程中，拉动的过程沿着水平方向进行。
　　按照这种实验演示方式，通常可以观察到在学生拉动弹簧测力计的过程中，不管是两个学生同时沿着相反方向同时拉动，还是一个不动，另一个学生拉动，弹簧测力计的读数大小和变化规律基本上是一致的。
　　不过按照传统实验有个缺点，第一，观察现象不明显。弹簧测力计读数比较小，而且实验演示过程中，只有极少数在旁边的学生可以看清读数，学生数量多的话，很难看清。第二，实验不精准，在实验过程中，因为弹簧拉力计的本身存在差异以及操作者的实验控制等，实验过程数据不够精准。 　　为了解决这个问题，就可以使用基于数字化信息系统实验室的实验方式，利用传感器，可以大大简化实验过程，得到更好的实验效果。
　　首先，将传感器和数据采集器连接并调试好，确保其处于正常工作状态。
　　其次，打开配套的力学传感器软件，进入对应的实验界面。
　　再次，将两个传感器分别和两个弹簧测力计连接，然后点击实验软件进行实验过程记录，然后可以任意改变力的大小，并保存记录。
　　最后，反复测试不同运动状态下力学传感器的情况并记录。
　　这种实验的好处就在于，在设备调试好的情况下，一个学生就可以双手操作这个力学实验，并且通过传感器和数据采集器，作用力和反作用力的变化实时通过在软件上呈现出来（图3）。所有的学生都可以清晰看到作用力和反作用力的对应变化曲线。
　　从图3中可以清晰看到，作用力和反作用力基本上保持大小和变化曲线一致，力的大小和变化趋势呈现轴对称状态，这就说明：作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，并且变化趋势基本一致。
　　（三）改进高中物理实验教学其他方面的应用
　　利用數字化信息系统实验室对于实验的计算方面也可以起到很大的辅助作用。在探究向心力与质量、半径、角速度的实验中，探究合外力、加速度、质量间的关系实验中等等，都是利用控制变量法。我们可以在系统中先预设一些固定的不变量，传感器采集变量数据，应用软件画出相关物理量的图像，甚至可以通过二次拟合，非常直观清晰地得出物理实验规律。
　　利用数字化信息系统实验室除了对于演示实验有很大帮助外，对于分组实验也应用广泛。如探究弹簧弹力与弹簧形变量间的关系实验、电学实验中、验证动量守恒实验等等，学生利用传感器既能培养学生的科学思维，也能通过科学探究，培养学生的科学态度与责任，充分展示学生的主体地位和作用，更是学生创新能力培养的重要方法和手段。
　　三、 总结与分析
　　通过前面分析我们可以看到，利用数字化信息系统实验室，可以将一些传统物理实验教学中的数据直接利用信息化方式进行测量和记录，然后利用计算机软件分析实验数据，得出实验结果。这种方式效率高，精确度高，而且更加直观和具体，学生更容易接受相关的实验规律。也能够促使教师研究数字实验系统对于传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化进步。
　　参考文献：
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　　[3]李玉海.传感器及其典型应用[J].中学物理教学参考，2010，39（3）：38-39.
　　作者简介：
　　孙科，福建省莆田市，莆田哲理中学。
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