基于数字化实验系统的物理实验拓展，本文主要内容关键词为：物理实验论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
实验是物理教学的重要内容和手段，是培养学生科学素养，提高学生能力的有效途径。数字化实验系统具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图像处理系统，实现了实验手段数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，在延续传统的同时超越传统。
我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。2003年新公布的《普通高中物理课程标准（实验）》提出：信息技术要进入物理实验室，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等。[1]高中物理新教材中的一些演示实验和“做一做”等栏目也出现了数字化实验系统应用的案例。基于传感器和计算机技术的数字化实验系统为实现学习方式的多样化，引导学生的自主探索研究，进行广泛的体验、合作和交流提供了时间和空间。[2]
二、基于数字化实验系统的物理实验的拓展
1.实验仪器的拓展
实验仪器是物理实验的物质载体，实验仪器的有无、数量的多少、性能的优劣直接影响实验效果，影响课堂教学质量。数字化实验系统尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其实验优势填补了传统实验中诸如微小量测量、暂态量测量等多个测量空白。这预示着它具有很强的拓展性。
①数字化实验系统与传统仪器的整合。传统的物理实验是学生获取物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料，是培养学生基本实验技能的途径。数字化实验在延续传统的同时超越传统，是传统实验的拓展和延伸。
图1
教学活动中，我们可以使传统实验仪器与DIS实验系统相互配合，发挥各自优势。例如在“自感现象”的教学中，几十年来都在使用一种成品教板，由实验电路图1a和图1b分别演示通电自感和断电自感。用灯泡演示自感现象不能确切反映电流和电压变化的过程，电流较小时灯泡不能发光；灯泡无极性，不能显示电流的方向。另外，实验器材规格匹配性不好，实验现象的可见度低等缺点也会使实验效果不理想。数字化实验系统用传感器采集电流、电压，能实时保持实验数据并显示稳定的图像，有效克服了上述缺憾。笔者根据图1c所示的电路，用两个电压传感器分别测量两个支路的电压，获得了图1d所示的图像，图像清晰显示了通电自感和断电自感过程中两支路电压的变化。我们还可以在支路中接入电流传感器，分析电流的变化情况。这样，我们在教学活动中可以先通过传统实验仪器引导学生观察现象，获得感性认识，激发探究欲望，然后借助数字化实验系统深入探究自感现象的特点和规律。
②数字化实验系统与“非常规”物理实验的整合。“非常规”物理实验，是指选择利用环境中“非专门化”的物质手段，不按固定方法或形式，人为控制条件、有目的地实施观察与探索物理规律的实验教学活动。在资源利用上，“非常规”物理实验是直接利用环境中“本来用途不是用来开展实验”的物质资源，包括生活易得物品、材料、器具、人体自身、交通工具、建筑设施、娱乐器材等，同时包括利用自己研发的实验器具。采用“非常规”物理实验开展教学活动能够采取灵活、简便的方法与形式，使实验过程体现自创性、体验性、趣味性、简易性与生活化。[4]
笔者在教学实践中尝试开发“非常规”物理实验的教育教学功能，取得了很好的效果。
例如，笔者利用DISLab对北京师范大学侯丹、李春密老师探究影响弹性片振荡周期的因素的实验进行改进。侯丹、李春密老师采用图2a所示的装置分析弹性片长度和质量对振动周期的影响。[5]通过实践研究发现，其实验装置尚有不足之处：其一，将钢尺插在纸盒的缝隙中，还需要将纸盒通过某种方式固定；其二，钢尺只是插在纸盒的缝隙中，在振荡时难以保证钢尺伸出的长度不变，并且多次使用后纸盒缝隙处难免不被撕裂；其三，在钢尺上固定毛笔以及通过插橡皮块改变质量等方面操作很不方便。笔者就地取材，使用实验室中的台虎钳固定弹性片，通过在钢尺上吸附磁铁块来改变质量，器材组装如图2b。[6]
图2
另外笔者认为：自制教具价格低廉，易于普及；简单明了，易于揭示物理规律的本质特征；而且使学生感到亲切，其中含有许多富有创造性的因素。因此因校制宜地发动任课教师制作教具，具有十分现实的意义。
笔者用饮料瓶、输液管、塑料盒等自制了一套实验装置，配合DISLab力传感器（见图3a）对教材中分子间作用力实验（见图3b）进行了改进。我利用力传感器高灵敏度等优点实现实验仪器微型化，直观显示出分子间作用力的存在。并且更换玻璃板、有机玻璃板、铝板，采集到同样的波形（见图3c），进一步证明了分子间作用力的普遍性。[7]
图3
③数字化实验系统与虚拟仪器的整合。随着多媒体技术的发展，许多虚拟仪器的产生为物理实验教学注入了新的活力。利用虚拟仪器做实验，可以自行设置各种参数，以控制其达到理想的效果。云南师范大学的刘艳春、李渝翔使用虚拟示波器软件与DISLab有效整合进行声波干涉实验有效克服了传统实验的缺点，取得了很好的效果。[8]虚拟仪器的应用突破了现有实验条件的限制，排除了各种干扰因素对实验的影响，它与数字化实验系统的整合值得深入研究。
2.对实验原理的拓展
实验原理体现着物理思维，因此对实验原理的拓展，有利于训练学生的创新思维能力。对实验原理进行拓展，应该广泛考虑学科内外各部分知识之间的联系，综合运用各种实验思想和实验手段以达到最优化的实验效果。
在上述探究影响弹性片振荡周期的因素的实验中，采用图2a所示的装置获得图4a所示的振动图像，这是采用较为传统的留迹法获得弹性片振动周期的方法。笔者使用磁传感器和微电流传感器，将弹性片的振动转化为磁感应强度和感应电流的周期性变化，通过易测量量获得难测量量，有效突破了操作难点。图4b和4c分别是磁感应强度和感应电流周期性变化的图像，它们都可以反映弹性片的周期性振动。该实验采用电磁学的知识和测量手段来研究振动问题，为物理实验的改进研究提供了很好的思路。
图4
此外，笔者从开发组合实验，拓展学生思维的理念出发开发出“探究弹簧振子的振动图像”“探究声波的振动图像”“探究转速的测量”等系列实验，使用不同的传感器对同一物理现象进行探究，学生在探究过程中不断深化对学科知识之间的联系，体验到了物理学思维方法的无穷魅力。以“探究弹簧振子的振动图像”为例，笔者除采用位移传感器外，还采用了磁传感器、电流传感器、电压传感器、力传感器、微电流传感器等配合相应的实验装置获得了不同的振动图像，见图5。这种多侧面、多角度地研究同一物理现象，使学生体会到科学研究领域的“殊途同归”。
图5 从左到右依次为使用磁、电流、电压、微电流、力传 感器获得的弹簧振子振图像
3.对实验目的的拓展
传统的物理实验多是验证性实验，学生对教材中的实验往往采取简单的“拿来主义”，机械地按照实验要求进行操作，学生的探究能力难以得到有效的锻炼。因此，在完成常规实验内容的前提下，教师可以根据学生的知识水平对实验目的进行拓展，引导学生深入探究，激发其学习兴趣。
例如，在探究通电螺线管内部磁感应强度的实验中，学生很容易想到用磁传感器直接探测通电螺线管内部磁场。如图6a所示，我们可以得到磁场强度的变化图像。在此基础上我们可以提出：能否直接获得磁感应强度与探测深度的关系图像呢？学生受到启发，想到将磁传感器与位移传感器组合的方法，如图6b所示。那如何分析通电螺线管内部磁感应强度与电流的关系呢？学生很快想到用磁传感器与电流传感器组合。随着对实验目的的逐步拓展，学生对物理现象的认识逐步加深，探究物理现象的兴趣逐步提高。在此基础上还可以引导学生进一步思考：什么是匀强磁场？获得匀强磁场需要螺线管具备怎样的特征？学生提出假设，不断改进实验装置来加以验证，使学生在获取知识的过程中体验物理学的魅力。
图6
再如，在“电容器和电容”的教学活动中，传统的实验是利用平行板电容器与验电器组合，采用控制变量法来定性地分析电容的影响因素。该实验对实验仪器和实验环境的要求很高，很难获得理想的实验效果，无法显示电容器充放电过程中电流、电压的变化，无法研究电量与电压之间的定量关系。运用数字化实验系统可以快速获得电流、电压随时间变化的关系图像，通过积分运算获得电量的数值，进而验证电容公式C=Q/U的正确性。这样就将定性实验上升为定量实验。在学生对电容器的工作原理有了较全面的认识之后，我们还可以通过分析图像的细节引导学生认识日常生活中电容器在储能、延时等方面的应用。
三、结束语
数字化实验系统作为一种实验工具可以从多个角度加以拓展。结合具体实验引导学生多角度、全方位地认识物理规律不仅有助于学生掌握实验仪器的使用规律和物理学的研究方法，还能够促使其推而广之，将上述思想方法应用于其他学科的学习以及日常的生产、生活之中。
教学手段是教学活动不可缺少的组成部分。[9]数字化实验技术为物理教学提供了先进的实验手段，但它并不代表先进的教学思想。先进的教育技术手段与先进的教学思想有机融合才能实现技术与课程的充分整合。因此，教师在教学活动中不能单纯地注重教学手段的先进，更要重视教学思想的转变，重视教学过程和学生学习过程的研究。基于数字化实验系统的物理实验的拓展体现着先进的教学思想，这有待于更多的一线教师从更广泛的角度去研究。