利用信息技术提升物理实验探究的效能

【摘要】信息化时代教育变革背景下，信息技术已深度融入各学科，对各学科的教学起到促进作用。本文以高中物理数字化实验为例，阐述了信息技术与高中物理融合创新的教学探索。【关键词】信息技术;高中;物理;数字化实验新课改背景下提倡学科之间的紧密联系。从学科教学来看，信息技术是一门技能工具类的学科，物理学科是一门理科实验性质的学科，信息技术与物理学科深度融合带来了物理教学的创新，使教学内容、手段、时空等方面发生了深刻的变革，特别是在物理数字化实验教学方面展现魅力，开创学科融合教学的新思路。合作对话，架学科融合桥梁1.学科本质，理念同归从学科视角来看，信息技术学科是一门技能类学科，同时是基于算法提升计算能力和应用的学科，提升各方面效率的学科。而物理学科是自然科学领域的一门基础学科，通过信息技术手段可以得到精准的实验数据，验证实验原理，让学生获得便捷且良好的实验体验。两门学科以技能和实验（或实操）为共通点，信息技术为物理课堂以及实验教学改革架起了创新的桥梁，而物理学科教学也为信息技术教学开启了一个实验新分支，有助于培养学生的信息技术应用和实践能力。信息技术与物理学科融合有利于两个学科融合、共同发展。2.素养为核，指向一致学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习、专业积累等逐步形成正确的价值观念、关键能力和必备品格。高中信息技术学科核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习创新、信息社会责任四个方面[1]。信息技术学科经过多年的发展，从计算机编程教学到信息技术普及性知识学习，从小学三年级到高中已形成完整的信息素养知识链。物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面[2]。两门学科的核心素养指向一致：全面育人，帮助学生掌握学科的基础知识和技能，增强学科意识，发展思维能力，自主学习与主动创新，树立正确的社会价值观和责任感。优化测量，补传统实验短板在高中物理教学过程中，特别是在演示实验和分组实验中，传统的实验从准备到设备的检验，再到学生的实验等，均需要一个详细的准备过程。学生在实验时不仅要考虑设备配件是否有故障或有产品质量问题，而且还要操作得当，否则得到的实验结果会有较大的出入，甚至与我们的理念（或原理公式）不符。传统的实验在过去几十年里发挥了应有的作用，但相应的短板在实践中也已显现。信息技术以及网络通讯技术的发展可以“补齐短板”，弥补传统物理实验仪器设备操作的不足，让学生喜欢上物理实验。1.数字化物理实验让实验数据更精准物理实验是对物理知识、现象、原理进行探究验证的基石，实验数据是物理实验验证最有力的实证。传统物理实验（含演示实验）以及学生分组实验有利于物理课堂教与学，但因仪器问题，具有不稳定性，时常因数据不精准起到“反面作用”。但是有了网络技术、传感器、视频显示、三维仿真技术等信息技术的支持，让“数据说话”不再是难事，用准确的实验数据支撑教学现象或原理，在教学中更能让学生信服和接受。例如，人教版新教材必修第二册第六章第2节“向心力”中，要求学生必做实验“探究向心力大小的表达式”。书本提供的实验装置是用标尺中红和白两种颜色的高度来表征力的大小，没有具体刻度和数值，所以用此装置探究，只能做到半定量，数据不够精确，误差较大，信服力不够。但如果使用数字化实验PASCAL装置，就可以得到精准数据。利用这些精准数据，结合Excel的图像拟合功能，可以引导学生画出如图1所示的图像，从而顺利得出实验结论。2.数字化传感器让实验体验感更丰富基于数字化传感器的实验，实验装置安装操作简便、实验结果精确，得到实验数据与原理数据匹配。另一方面，传感器的多样式可以匹配到多个实验，如力学（探究匀速运动、分力与合力、平抛运动、机械能守恒定律）、电学（电阻伏安特性、电动势和内阻、电容放电、安培力）以及气压、重力加速度、追寻守恒量等实验，规范的实验设计思路，相关物理量的设定，通过数字化平台自动生成测量数据，平台自动汇总，对数据进行定量分析形成相关图表。如在高中物理测位移，测重力，光电门测速度，电压、电流测电阻等实验中，通过USB将数采集器（DAS-5104D）连接到电脑，同步后工作灯正常亮起，传感器正常工作，我们就可以准确得到相应数据。如测运动物体位移，在位移传感器的支持下，利用实验软件平台，通过时间/t与位移/m，再通过小车移动到一个新位置，重复5次，得到新的位移值，记录分析得到一组位移值/m，让学生得到实验体验与概念理念的一次验证。知识源于实验，实验后再促进学生对知识的再认识、再重构、再提升。在实验中将斜面放置有位移传感器接收端的一端适当垫高，但不宜过高，否则容易撞坏小车，而将小车放回靠近位移传感器接收端的某一位置，用手轻扶小车保持静止（或用挡板阻拦）。通过数字化传感器带来的丰富实验体验，有利于学生对力学知识再一次进行认识和内化。3.信息技术让“难以观测”的实验成为可能在传统物理教学中，一些生活常识性物理现象可以使用传统仪器进行测试，但一些微观或宏观数据實验，或有一些难预测或产生风险性的实验，或因学校设备不足、条件环境不允许，或因有风险，往往只能借助公式去教学，无法去实验。我们可以借助信息技术去突破传统教学或实验教学，数字化实验技术的广泛性、安全性以及操作的灵活性给我们带来了新希望。借助信息技术的“东风”，在数字化实验室的环境下，进行更多“不可思议”的实验，可以解决很多物理课上的教学难题。例如，高中物理中磁感应强度的测量，尤其是微弱磁感应强度的测量，是很难用传统实验实现的。但利用磁传感器，可以轻松地测得螺线管内部以及通电导线周围的磁场。如研究放射源实验，研究三种射线α射线、β射线和γ射线的穿透能力时，教师直接提供给学生这三种射线的穿透能力;但有了数字化G-M传感器，结合威尔逊云室配套放射源，就可以实验探究三种射线的穿透能力，如图2所示。实验结果表明：当有铅板插入时，计数率明显降低，说明铅对放射线有屏蔽作用。不难发现铅板越厚，屏蔽作用越大，当铅板达到一定厚度时，计数率可接近本底数，即对放射线完全屏蔽。融合优化，促学科思维提升在教学中，重视知识技能教学的同时，更要重视学生科学思维的过程化及计算思维的培养。1.熟识技术原理，重视物理知识的内化在物理数字化实验时，如探究气体压强与体积、温度的关系，除需要学生具有一定的信息技术能力之外，更需要学生熟识器材（如各类传感器等）或配件的技术原理，获得实验结果，理解实验原理是核心，实验过程比结果更为重要。利用传感器能测出相应的物理量，帮助学生理解实验原理。教师要从大单元教学设计理念出发，以理解实验原理为基石，让学生掌握物理实验的知识框架，构建与之相对应的物理观念。2.分析实验数据，关注数据处理能力培养在实验时，教师更需要关注学生处理实验数据能力的培养。通过数字化实验获得精准数据，既可以增加学生数据处理的信心，又可以锻炼学生数据处理的能力。例如，在研究气体等温变化时，学生利用数字化压强传感器精准地得到了数据（表1）。此时，可以根据精准数据，引导学生画出p-V图像，如图3所示，结果发现压强p和体积V反相关，无法得出精准结论。此时，观察图像和数据，总结规律，能否考虑到画p-1/V图像，将是学生锻炼数据处理能力的一种考验。如图4所示，引导学生画出p-1/V图像后，可以追问学生为何图像没有过原点？这又将是锻炼学生结合数据和实际情况、提升数据处理能力和思维能力的一种好的途径。（修正了注射器和传感器连接处被忽略的体积后，就可以使图像精准地过坐标原点）合理规划，建学科融合课程1.加强交流与合作，合理规划课程在学科融合教学中以学生为主体，教学方式、教学内容以及教学制度需要充分考虑学生现状。融合的课堂需要信息技术能力的支撑，在进行数字化实验时，要科普与实验相关的信息技术知识，展示信息技术的魅力。物理课堂教学要善于利用信息技术，使课堂更加趣味化、生动化，需要物理教师和信息技术教师加强交流与合作，主动学习信息技术相关知识，提升个人信息技术应用能力和技术水平。教师也要合理规划课程，通过信息技术与物理学科的融合，提升教学质量。2.注重实践与积累，提炼融合要点融合需要实践，更需学习积累。强化学科教学探索，注重创新性，营造开放性学习氛围，以学生为主体，注重创新意识的培养。信息技术和物理學科的深度融合是一种学科融合发展的创新教育教学形式，也是学科协同发展的教学理念。更新教学理念的同时，更需要关注信息技术的应用发展。新技术的发展能够促进物理实验课程的改革，同时为物理实验环境创造更多的可能，为学生终身学习打下基础。信息技术对