例谈“数字化实验系统”在物理课堂教学中的应用

1、例谈“数字化实验系统”在物理课堂教学中的应用吴思平摘 要：数字化实验系统是以传感器及计算机为核心器件的实验体系，克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，为传统物理实验提供了新的工具和手段。本文以超重与失重这节课为例，对数字化实验系统与课堂教学的结合做一尝试与探索。关键字：数字化实验系统；传感器；实验；超重与失重 一、数字化实验系统简介随着新课程改革的推进，一种以传感器和计算机为基础，实现了信息技术与实验教学整合的新型实验模式数字化实验系统应运而生。去年笔者所在学校引进了整套的数字化实验系统，其基本系统结构为“传感器+数据采集器+计算机”，以一系列传感器替代了传统的测量仪器，能够完成力、热、声、光、电

2、、位移、磁感强度、等多种物理量数据的采集。传感器数据通过四通道采集器处理后上传到计算机，由专用软件进行实时的处理与分析，能够更加清晰、明确地展示现象，揭示规律。与传统实验手段相比，数字化实验系统在两个方面有大的变化：在数据测量环节上，利用高灵敏度的传感器，能够实时、准确地获得整个实验过程中的相关实验数据，提供比传统实验测量方法高得多的数据精确性，保证实验的成功；在数据处理环节上，利用专用软件的强大数据处理能力，采集到的数据还可以以图表、仪表、示波器等形式显示，同时支持对实验结果的线形、曲线、二次、高次曲线分析。用户可以自定义变量和表达式，可完成包括函数在内的复杂运算，大大节省传统实验数据的记录

3、、计算、分析的时间。这样一套实验系统，如果能够将其引入到课堂中，将为物理教学注入新的活力。下面以超重与失重这节课为例，对这种尝试做一分析和探讨。二、教学实例图1 超重与失重实验装置图在上超重与失重这节课时，以往教师在做超重和失重的演示实验一般有以下两种方式，但效果都不甚理想。1、用弹簧测力计挂上一个重物，向上做加速运动，观察加速瞬间测力计的读数变化。在实际教学活动中，由于加速过程运动快、时间短，实验现象转瞬即逝，学生根本看不清弹簧测力计示数，更谈不上记录下数据，提供给学生作为分析的依据。2、使用动画课件，利用多媒体手段虚拟物体运动过程中的超重和失重现象，这种方式虽然能够让学生比较清晰地观察超重

4、和失重现象，但没有以具体实验操作为基础，缺乏真实感和可信度，会让学生产生“假”的感觉。数字化实验系统的出现为我们提供了一种新的手段，下面简述如何利用力传感器和位移传感器的组合来完成“超重与失重”的演示和探究。实验装置：将勾码挂于力传感器的下端，调节位移传感器探测头方向朝上使其能够测量物体在竖直方向上的运动情况，并将位移传感器置于勾码的正下方（如图1）。实验操作：使勾码从静止开始向上运动，先加速后减速并再次达于静止。在计算机上就能立刻得到实验数据。可多次重复这一实验过程，获得多组测量数据。探究分析：从测量的多组数据中选择现象明显的一组数据进行分析。1根据由计算机给出的勾码的“位移时间”图像和“速

5、度时间”图像（如图2），引导学生分析物体的运动情况：00.5s物体速度为0，位置不变，说明物体处于静止状态；从“位移时间”图像可以看出0.61.1物体始终向上运动；从“速度时间”图像可以看出0.60.75s物体向上加速运动，0.751.1s物体向上减速运动。图2 超重与失重的“速度时间”图像2根据力传感器所获得“拉力时间”图像（如图3），引导学生分析不同时段物体的受力情况：00.4s物体受到的拉力为0.5N；0.40.75s物体受到的拉力大于0.5N；0.751.1s物体受到的拉力小于0.5N。图3 超重与失重的“拉力时间”图像3将位移传感器所获得的“速度时间”图像和力传感器所获得“拉力时间”

6、图像的上下并排，使用相同的时间轴进行对比分析（如图3），引导学生将物体各时间段内的运动情况和受力情况进行列表（如表1）对比，让学生进行思考和讨论。表1：受力与运动的关系时间00.4s0.6s0.75s0.75s1.1s运动情况静止向上加速向上减速加速度方向0向上向下拉力=0.5 N0.5N0 可得 Tmg向上减速 T- mg=ma a0 可得 Tmg4使勾码与力传感器从上方一起由静止开始向下运动，先加速后减速。通过传感器获得物体的“速度时间”图像和 “拉力时间”图像（如图4）。图4 下降过程“拉力时间”图像5.引导学生对物体向下运动过程中运动情况和受力情况进行分析（过程同前，不赘述）。6.引导

7、学生对两种运动情况进行综合分析得出结论：无论物体向上还是向下运动，只要加速度方向向上，物体受到的拉力就大于重力，产生超重现象；只要物体加速度的加速度向下，物体受到的拉力就小于重力，就处于失重状态。三、数字化实验系统的优势和对课堂教学的影响通过以上实验可以发现，通过实验操作、图线观察和图线分析，学生能够对物体的运动过程有具体而直观的认识，从而开始更好地理解和掌握物理规律。数字化实验系统体现出了其独特的优势：（一）实现了物理过程的具体化和暂态现象的凝固化中学许多的物理实验都是动态、变化的过程，传统的测量仪器往往只能进行“点”测量，无法实现“线”测量，对物理变化过程无法全程记录。但在上面这个实验中，

8、数字化试验系统很好的解决了这个问题，不仅能让学生“看到”物体运动过程中的速度和受力情况，还可以可以把一个个物理过程的瞬间变化凝固下来让学生仔细观察和分析。极大地扩展了实验的可视性和重复性，而“看到”物理现象，正是理解和认识物理规律的第一步。（二）提高中学物理实验的严谨性和可信性传统测量仪器的精确度不高，导致有时获得的实验数据与理论值会有较大出入，教师对于这种现象常常也是无可奈何，只能以“误差”两字一笔带过，这样就大大降低了实验的可信度，会使学生对物理实验产生轻视心理。而传感器提供了比传统测量仪器高得多的测量精度，这就使得物理规律的发现或者验证更具有科学性和说服力，能激发学生的热情和积极性投入到

9、实验现象的观察和分析中去。同时能够培养学生以实验为基础，尊重实验事实的求真精神。（三）提高了课堂教学的有效性在上实验探究课时许多老师遇到的一个问题就是课堂时间分配问题，由于使用传统的实验仪器，探究实验中“实验操作、现象观察、数据记录、数据处理”这些环节几乎要占去了大半节课的时间，而真正让学生分析实验现象，探究物理规律的时间就已经所剩无几，这样一节课下来，常常是既定的教学目标无法全部完成，正是由于这个原因，许多教师为了能够按时完成教学进度，就放弃了探究实验，还是用以往“口说实验”的方式来讲授。而数字化实验系统具备“实时实验”的功能，数据采集、处理和图线描述都由计算机完成，所以师生们可以从数据读取

10、、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来，从而能够将更多的时间、精力用于研究和掌握物理规律，使课堂40分钟时间得到最有效的利用，课堂效益最大化，学生的能力得到真正的培养。四、结束语本文所做的实验仅是一个小小的尝试，借助于传感器技术丰富的功能，数字化实验系统在许多课程中都可以发挥它的作用。例如：利用力传感器可以探究摩擦力的特点，可以演示牛顿第三定律；利用位移传感器可以探究匀变速直线运动的规律；将力传感器与位移传感器组合使用可以探究加速度与物体质量和合外力的关系；利用磁感应强度传感器可以探究各种磁场的特点；利用电流、电压传感器探究楞次定律等。把数字化实验系统引入课堂，将对传统的物理教学产生许多积极的影响和改变。在学生能力的培养上，不仅可以使学生更深入地理解物理学的现象，而且可以掌握学习物理的一种能力即独立思考、大胆假设和严谨探索实验的能力,从而开拓学生思维和培养学生的创新意识。在教学方法上，将使教师的教学方式更加多样和灵活，更有利于“探究式教学”的真正落实和开展。参考文献：1冯容士.工具的变迁，课改的理念