数字化实验在物理教学中应用的实践与思考

1、文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.欢迎下载支持. 【关键字】物理数字化实验在物理教学中应用的实践与思考天津市红桥区五爱道风光里 55 号红桥教育中心孙鸿毅摘要随着国家新一轮课程教材改革的推进数字化实验室进入课堂打造 出信息技术与物理教学整合的新型教学模式字化实验以传感器和计算机为基 础结合传统的实验仪器将实验数据采集之后用计算机进行分析处理通过数 据图表和图象展示现象揭示规律从 2005 10 月起我们将传感器引入高中物 理教学，经过一年的探索，分别在力、热、电三方面选取典型课例进行了实践。 本文试从教研员的角度就引领老师们进行实践课例的探索提出数字化实验室 应用的方式、效果和值

2、得注意的问题，以与同行切磋和研讨。关键词：传感器探究教学教师水平学生能力一、问题的提出随着全球信息化的飞速发展加速推进了我国教育现代化的步伐教育的信 息化是教育现代化的重要特征之一。基础教育课程改革纲要（试行）指出： “大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整 合逐步实现教学内容的呈现方式学生的学习方式教师的教学方式和师生互 动方式的变革充分发挥信息技术的优势为学生的学习和发展提供丰富多彩的 教育环境和有力的学习工具。”2004 年 11 月在湖南召开的全国第六届物理青年教师教学大赛上上海和深 圳选手将数字化实验室引入比赛现场，让我第一次看到数字化实验的方式和效 果亲

3、身感受了信息技术与物理教学整合的新型教学模式关注引领物理教学 的前沿是教研员的责任，2005 年 3 月起，在我区教研活动中用录象课、请传感 器公司来人示范等方式广泛宣传数字化实验，进一步激发了老师们实验的热情。 从 2005 年 10 月起引领老师们将传感器应用于高中物理教学的教改实验中。二、对数字化实验设备和结果的简介（如图 ）1传感器数字化实验的核心部件“感”将物理量转化成电信号传” 将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台学中常用的传感器包括力传感 器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，图中 是一个位移传感器。2数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机

4、，可以说是传感器 与计算机连接的转换器。3实验仪器：完成某一物理实验需要的仪器，如小车、导轨、灯泡、电源、 开关、线圈、磁铁等。1文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.欢迎下载支持. 4计算机及其内部处理由传感器传递的数据的软件。5实验结果：实验中采集的数据用计算机进行分析处理，通过计算机显示 器直接显示以数学方式展现的图表和图象理现象和规律通过数学的图象和图 表呈现。由此可知数字化实验是将传感器计算机与传统的实验仪器结合是传统 实验方法的发展和数据处理的科学化现的是真实的实验处理上更严谨， 规范。三、应用数字化实验典型课例分析1在力学

5、中选取课例是摩揩力。摩揩力是高中物理最重要的概念之一新课程标准对本节的要求之一是 通过实验认识滑动摩揩静摩揩的规律并能用动摩揩因数计算摩揩力实验原 理是让木块匀速运动，应用二力平衡的知识用拉力来反映摩揩力。传统教学中采用图 2 的装置，用弹簧秤水平拉一个放在水平长木板上的木 块生通过观察木块从不动运动的过程中弹簧秤示数的变化认识摩揩力。 但由于仪器较粗糙数据的变化不易看得很清楚本实验大多情况下作为了一种 模糊的定性研究。用传感器参与本实验实验原理不变但图 中的弹簧称换为力传感器效果 也不好于是我们想到用图 3 的装置将力传感器固定感知力的一端通过一段 弹性不大的细绳与木块连接做本实验这样木块始

6、终与地保持相对静止拉动木 板在刚加拉力时木块与木板有相对运动趋势木块与木板间有静摩揩力木板 运动起来木块与木板有滑动摩揩力由于木块始终相对静止因此各个时刻的 拉力就反映了对应的摩揩力实验数据传入计算机木块抽动过程中拉力的变化 以图 4 中的红线形式展示样木块由不动到运动中摩揩力的变化就通过拉力变 化的图线清楚的呈现给学生。对图象做进一步分析看出图中的表明木块还未受到拉力时完全静止的一 个过程木块受拉力为零因此摩揩力为零图中体现木块与木板相对静止时 在不动到滑动的过程中静摩揩力随拉力的增大而增大中是物体动与不动的 分界点此时的摩揩力是最大静摩揩力图中体现的是物体的运动过程图中 清楚显示滑动摩揩力

7、小于最大静摩揩力且在运动中保持一个定值所以通过图 4 的完整图线很好的反映了学生认识摩揩力的第一个层次感知摩揩力。第二层次是在此基础上继续研究正压力和接触面的粗糙程度对滑动摩揩力 的影响图 5 对应的是木块放在毛玻璃表面图 6 是木块放在包装纸的表面两 图表格中的“平均”显示的是在毛玻璃表面分别施加三个压力和在包装纸表面 分别施加同样的三个压力实验时滑动中对应的拉力大小就反映了各次滑动摩 揩力的大小。测量木块重 15N，在木块上依次加 g 砝码，使正压力依次为2文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.欢迎下载支持.15 N，4 N，65

8、N。再将得到的数据用 处理得到的如图 7 图、表， 这样处理本实验既分析出滑动摩揩力与正压力间的正比例关系知道这个比例 系数由接触面的粗糙程度决定更可以算出相应的动摩揩因数且控制变量法也 一目了然。由以上分析可以看出传感器的介入提升了实验数据分析的层次图象的展 示进一步培养了学生的观察能力和分析能力让教师无须语言的赘述学生对摩 揩力的认识通过理性的数学分析得出使学生认知水平得到提升将教学内容由 过去的粗糙丰富为严谨、科学。本课作为我区传感器进课堂的公开 2006 年 11 月间在全区展示。2在电学中选取课例是楞次定律的习题课。楞次定律是电磁学的重点和难点。图 8 是现用高二必修加选修第 211

9、 页 A 组第 2 题（该题和图同时是选修 3-2 第 页的第 2 题），题目是若条形磁 铁下无闭合线圈，磁铁会振动较长的时间才停下来，若条形磁铁下有闭合线圈， 磁铁振动会较快的停下来，要求解释此现象。我们将本题开发成实验作楞次定律一节中的一个理解楞次定律电流 方向的判定和能量转化的实验出现。将图 8 照图 9 组装，可以得出图 10 的图 象从图中清楚的显示出随时间的延长线圈中感应电流在衰减并对感应电流 的方向有了明确的认识。图 10 还可以进一步应用到这一章的“涡流”一节，使 学生对“电磁阻尼”的理解困难迎刃而解。本实验曾引起了学生的极大兴趣学生们自己组装实验并从实验开始就认 真盯着大屏幕

10、逐渐显示出的图象当磁铁停止振动后都很认真的读着数据热烈 地讨论图象的物理意义对楞次定律有了更进一步的理解电流传感器在本节课 的应用可以捕捉到瞬间感应电流的大小和方向。本节课参加 年 7 月在深圳 召开的第四届“全国中小学信息技术创新与实践活动”评比，获得一等奖。3在热学中选取课例是内能的改变 热量。图 11 展示的是用热传感器反映气体内能变化的实验。实验的主要器材是一 根被改制的自行车内胎即用紧箍和一段玻璃管与车胎组成密闭容器将温度传 感器伸入到玻璃管中，以便学生能够观察到传感器。图 是得到的数据图，当 用手握住玻璃管部分由于热量的传递管内温度升高通过气体传给传感器图 线中反映了这一过程图线中

11、反映移开手后的降温过程图中共同反 映了热传递改变内能的过程而图中部分是对车胎放气显出的温度变化是 放气过程结束温度向室温恢复当用打气筒给车胎打气图中明显反映了对 气体做功引起物体内能增大温度升高这样不易感知的温度变化通过图线带给 学生深刻的感受。四、对数字化实验进入物理教学的思考3文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.欢迎下载支持. 1转化教师观念，正确理解信息技术与物理学科整合的内涵。实验是物理学的基础，每一个物理概念和规律都是建立在相应的实验基础 上传统的物理实验教学中由于仪器的落后以及实验条件的限制很多物理实验 只能做定性分析教师

12、让学生观察实验现象启发学生对现象进行推理分析最 后得出正确的结论虽然推理是物理研究的重要方法之一有利于培养学生的分 析推理能力但教学中大量使用不仅会让老师的动手能力下降学生更看不到真 实的实验难以真正理解物理的学习实质而数字化实验使教师认识到教育的 信息化不是简单的把课堂搬个家而是通过信息技术手段使教育资源配置更优 化教学过程更高效信息技术不是作为辅助教师教学的演示工具而是要实现 信息技术与学科教学的“融合”要培养学生学会把信息技术作为获取信息探 索问题、协作讨论、解决问题和构建知识的认知工具。2巩固物理实验的地位，促进教师的实验能力和分析水平的提升，让教研 落到实处。传感器只是一个传递信号的

13、仪器像也只是一个图片师要设计实验、 引领学生认识图象挖掘图象的含义这就为教师发挥自己的能力提供了广阔的 平台。同时数字化实验也为教研活动开辟了新的道路。在准备摩揩力一节时，我和参与教师都表现出极大的兴趣，一遍又一遍 在不同的接触面上做实验最后确定了接触面分别用毛玻璃和一种包装纸会后 引进传感器的学校高一年级教师都用这种方法讲授了这一节成了新课标的要 求，也在学生中引起极大的兴趣，无形中提高了物理教学的实效性。用热传感器反映气体内能变化的实验仪器，最初是传感器公司提供给我们 的。但当授课教师通过内能的改变 热量一节展示出来的时候，教师们的惊 奇和赞叹表露无疑后上交的评课记录上老师们都很深刻的写下

14、了对数字化实 验的认识年教师更写出了愿意多参加并参与到这样的活动中来提高自己实验 和分析能力的愿望。3深化探究教学着眼于科学方法的教育培养学生研究问题的科学习惯。新课程理念之一是“注重科学探究，提倡学习方式多样化”。从摩揩力 一节分析可知，对物理概念的建立，物理规律的形成过程需要学生揣摩的实验， 引入传感器会收到事半功倍的作用同时引入传感器可以开发课本资源变课本 习题为实验深入挖掘习题蕴涵的道理可以改进原来做不出的实验这样又为 物理学科的研究性学习提供了内容。传感器的引入更强化了用数学分析物理问题的意识物理实验具有更高的 真实性让学生对科学方法有了亲身体验物理学的发展离不开数学学好高中 物理更

15、离不开数学爱因斯坦说过数学给予精密的自然科学以某种程度的可靠 性没有数学那些学科是达不到那么高的可靠性的图象的充分利用是强化数 学在物理教学中的作用的一个重要体现如上面所述温度给人们的感觉一直是4文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.欢迎下载支持.亲身体验的冷热程度而应用传感器使学生学习到另一种感知事物的方式那 就是真实的数据同样会令人有身临其境的体验而久之会让学生养成一种研究 问题通过“现象实验数据”的科学习惯。4唤起学生的问题意识，教会学生思维，大大提高科学探究过程的实效。探究式教学是以探索研究物理规律为出发点以实验活动为中心以学生

16、 的可持续发展探究能力的培养为根本的一种教学方法究式教学强调“猜想 验证归纳”的科学探究过程通实验的定性研究和引入传感器的定量研究相 结合，教师通过对比，使学生做有知的猜测，可以鼓励学生积极参与，唤起学生 对问题解决过程的认识有助于开发学生的学习潜力并教会他应对某一具体情 况下可能需要的知识。实验证明，学生比教师接受数字化实验更快。摩揩力 教学中学生对图 5 中物块从要动到运动之间不规则变化的曲线提出了疑问教 师的引导下认识到这是由于板在拉动中细绳抖动造成的不稳定。5突出教师的主导地位，尊重学生的个体差异，让每一位学生都体验不同 程度的成功，并能在同伴互助中取得更大的进步。传感器引入物理教学更

17、利于教师主导地位的体现教师只要教会学生处理 数据的方法再遇到类似问题只要做到点拨和指导让学生在研究和归纳的过 程中感性地理解物理变化及其规律样学生最终不仅可以更深入地理解物理学 的现象而且可以学会物理学的一种精神即独立思考大胆假设和严谨探索实 验的科学精神。一幅图摆在学生面前不同程度的学生会有不同的理解但只要看出相关的 问题教师就可以给予肯定尽可能调动学生的积极性在同学们对解决问题的 讨论中切磋，懂得互助，学会合作。6新仪器是时代进步的产物，推动教师脚踏实地的研究它，同时促进自己 应对课堂的综合能力的再提高。现代技术的不断提高给教师带了机遇和挑战教师要在新课程中体现自身 的价值就必须再学习，必

18、须接受新仪器，新手段。学会对传统实验进行“再挖 掘”，为开发其潜在的教育和教学功能作好充分的研究。新技术的使用不是花架子它的使用丰富了传统的实验在科学的基础上使 实验有新的发展并且丰富了学生的视野开阔了他们的思路新技术的使用， 对于刚刚接触这种研究手段的学生来说理解起来会有困难因此教师应该注重 引导，循序渐进，对新仪器以及使用新仪器采集到的相关信息进行及时解释。值得注意的是越在以现代技术手段为支撑的教学活动中协调好师生与 媒体三者之间的关系越显得尤为关键由于媒体的影响学生的注意力极有可能 从教学活动中游离出来而影响教学必须加强对学生活动的引导与控制， 做到收放自如，使教学活而不乱。5文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.文档来源为:从网络收集整理word 版本可编辑.欢迎下载支持.综上所述我们感到课程改革是随着社会发展时代进步的必然进程课程 改革促进了教师再发展的