| 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐與思考 |
| 天津市紅橋區(qū)五愛道風(fēng)光里55號紅橋教育中心 孫鴻毅 |
| 摘要：隨著國家新一輪課程教材改革的推進(jìn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入課堂，打造出信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的新型教學(xué)模式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)以傳感器和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集之后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，通過數(shù)據(jù)圖表和圖象展示現(xiàn)象、揭示規(guī)律。從2005年10月起我們將傳感器引入高中物理教學(xué)，經(jīng)過一年的探索，分別在力、熱、電三方面選取典型課例進(jìn)行了實(shí)踐。本文試從教研員的角度，就引領(lǐng)老師們進(jìn)行實(shí)踐課例的探索，提出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的方式、效果和值得注意的問題，以與同行切磋和研討。
關(guān)鍵詞：傳感器 探究教學(xué) 教師水平 學(xué)生能力
一、問題的提出
隨著全球信息化的飛速發(fā)展，加速推進(jìn)了我國教育現(xiàn)代化的步伐，教育的信息化是教育現(xiàn)代化的重要特征之一。《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》指出：“大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，教師的教學(xué)方式和師生互動方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。”
2004年11月在湖南召開的全國第六屆物理青年教師教學(xué)大賽上，上海和深圳選手將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室引入比賽現(xiàn)場，讓我第一次看到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的方式和效果，親身感受了信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的新型教學(xué)模式。關(guān)注、引領(lǐng)物理教學(xué)的前沿是教研員的責(zé)任，2005年3月起，在我區(qū)教研活動中用錄象課、請傳感器公司來人示范等方式廣泛宣傳數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步激發(fā)了老師們實(shí)驗(yàn)的熱情。從2005年10月起引領(lǐng)老師們將傳感器應(yīng)用于高中物理教學(xué)的教改實(shí)驗(yàn)中。
二、對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備和結(jié)果的簡介（如圖1）
1．傳感器：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心部件。“感”將物理量轉(zhuǎn)化成電信號；“傳”將電信號傳遞到數(shù)據(jù)采集器裝置和計(jì)算機(jī)平臺。教學(xué)中常用的傳感器包括力傳感器、位移傳感器、熱傳感器、電流電壓傳感器、光傳感器、聲傳感器等等，圖中是一個位移傳感器。
2．?dāng)?shù)據(jù)采集器：采集傳感器感知的數(shù)據(jù)，并傳給計(jì)算機(jī)，可以說是傳感器與計(jì)算機(jī)連接的轉(zhuǎn)換器。
3．實(shí)驗(yàn)儀器：完成某一物理實(shí)驗(yàn)需要的儀器，如小車、導(dǎo)軌、燈泡、電源、開關(guān)、線圈、磁鐵等。
4．計(jì)算機(jī)及其內(nèi)部處理由傳感器傳遞的數(shù)據(jù)的軟件。
5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，通過計(jì)算機(jī)顯示器直接顯示以數(shù)學(xué)方式展現(xiàn)的圖表和圖象，物理現(xiàn)象和規(guī)律通過數(shù)學(xué)的圖象和圖表呈現(xiàn)。
由此可知，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是將傳感器、計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理的科學(xué)化，呈現(xiàn)的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理上更嚴(yán)謹(jǐn)，規(guī)范。
三、應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)典型課例分析
1．在力學(xué)中選取課例是《摩擦力》。
《摩擦力》是高中物理最重要的概念之一，新課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)的要求之一是通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識滑動摩擦、靜摩擦的規(guī)律，并能用動摩擦因數(shù)計(jì)算摩擦力。實(shí)驗(yàn)原理是讓木塊勻速運(yùn)動，應(yīng)用二力平衡的知識用拉力來反映摩擦力。
傳統(tǒng)教學(xué)中采用圖2的裝置，用彈簧秤水平拉一個放在水平長木板上的木塊，學(xué)生通過觀察木塊從不動到運(yùn)動的過程中彈簧秤示數(shù)的變化，來認(rèn)識摩擦力。但由于儀器較粗糙，數(shù)據(jù)的變化不易看得很清楚，本實(shí)驗(yàn)大多情況下作為了一種模糊的定性研究。
用傳感器參與本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理不變。但圖2中的彈簧稱換為力傳感器效果也不好。于是我們想到用圖3的裝置，將力傳感器固定，感知力的一端通過一段彈性不大的細(xì)繩與木塊連接做本實(shí)驗(yàn)，這樣木塊始終與地保持相對靜止。拉動木板，在剛加拉力時(shí)木塊與木板有相對運(yùn)動趨勢，木塊與木板間有靜摩擦力，木板運(yùn)動起來，木塊與木板有滑動摩擦力，由于木塊始終相對靜止，因此各個時(shí)刻的拉力就反映了對應(yīng)的摩擦力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，木塊抽動過程中拉力的變化以圖4中的紅線形式展示。這樣木塊由不動到運(yùn)動中摩擦力的變化就通過拉力變化的圖線清楚的呈現(xiàn)給學(xué)生。
對圖象做進(jìn)一步分析看出圖中的①表明木塊還未受到拉力時(shí)完全靜止的一個過程，木塊受拉力為零，因此摩擦力為零。圖中②體現(xiàn)木塊與木板相對靜止時(shí)在不動到滑動的過程中靜摩擦力隨拉力的增大而增大，圖中③是物體動與不動的分界點(diǎn)，此時(shí)的摩擦力是最大靜摩擦力，圖中④體現(xiàn)的是物體的運(yùn)動過程，圖中清楚顯示滑動摩擦力小于最大靜摩擦力，且在運(yùn)動中保持一個定值。所以通過圖4的完整圖線很好的反映了學(xué)生認(rèn)識摩擦力的第一個層次──感知摩擦力。
第二層次是在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究正壓力和接觸面的粗糙程度對滑動摩擦力的影響。圖5對應(yīng)的是木塊放在毛玻璃表面，圖6是木塊放在包裝紙的表面。兩圖表格中的“平均”顯示的是在毛玻璃表面分別施加三個壓力和在包裝紙表面分別施加同樣的三個壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)滑動中對應(yīng)的拉力大小，也就反映了各次滑動摩擦力的大小。測量木塊重1．5N，在木塊上依次加250 g砝碼，使正壓力依次為1．5 N，4 N，6．5 N。再將得到的數(shù)據(jù)用Excel處理得到的如圖7的圖、表，這樣處理本實(shí)驗(yàn)既分析出滑動摩擦力與正壓力間的正比例關(guān)系，又知道這個比例系數(shù)由接觸面的粗糙程度決定，更可以算出相應(yīng)的動摩擦因數(shù)，且控制變量法也一目了然。
由以上分析可以看出，傳感器的介入提升了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的層次。圖象的展示進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和分析能力，讓教師無須語言的贅述，學(xué)生對摩擦力的認(rèn)識通過理性的數(shù)學(xué)分析得出，使學(xué)生認(rèn)知水平得到提升，將教學(xué)內(nèi)容由過去的粗糙豐富為嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。本課作為我區(qū)傳感器進(jìn)課堂的公開課2006年11月間在全區(qū)展示。
2．在電學(xué)中選取課例是《楞次定律》的習(xí)題課。
《楞次定律》是電磁學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。圖8是現(xiàn)用高二必修加選修第211頁A組第2題（該題和圖同時(shí)是選修3-2第31頁的第2題），題目是若條形磁鐵下無閉合線圈，磁鐵會振動較長的時(shí)間才停下來，若條形磁鐵下有閉合線圈，磁鐵振動會較快的停下來，要求解釋此現(xiàn)象。
我們將本題開發(fā)成實(shí)驗(yàn)，作為《楞次定律》一節(jié)中的一個理解楞次定律電流方向的判定和能量轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)。將圖8按照圖9組裝，可以得出圖10的圖象。從圖中清楚的顯示出隨時(shí)間的延長，線圈中感應(yīng)電流在衰減，并對感應(yīng)電流的方向有了明確的認(rèn)識。圖10還可以進(jìn)一步應(yīng)用到這一章的“渦流”一節(jié)，使學(xué)生對“電磁阻尼”的理解困難迎刃而解。
本實(shí)驗(yàn)曾引起了學(xué)生的極大興趣，學(xué)生們自己組裝實(shí)驗(yàn)，并從實(shí)驗(yàn)開始就認(rèn)真盯著大屏幕逐漸顯示出的圖象，當(dāng)磁鐵停止振動后都很認(rèn)真的讀著數(shù)據(jù)，熱烈地討論圖象的物理意義，對楞次定律有了更進(jìn)一步的理解。電流傳感器在本節(jié)課的應(yīng)用可以捕捉到瞬間感應(yīng)電流的大小和方向。本節(jié)課參加2006年7月在深圳召開的第四屆“全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動”評比，獲得一等獎。
3．在熱學(xué)中選取課例是《內(nèi)能的改變 熱量》。
圖11展示的是用熱傳感器反映氣體內(nèi)能變化的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的主要器材是一根被改制的自行車內(nèi)胎，即用緊箍和一段玻璃管與車胎組成密閉容器，將溫度傳感器伸入到玻璃管中，以便學(xué)生能夠觀察到傳感器。圖12是得到的數(shù)據(jù)圖，當(dāng)用手握住玻璃管部分，由于熱量的傳遞，管內(nèi)溫度升高通過氣體傳給傳感器，圖線中①反映了這一過程，圖線中②反映移開手后的降溫過程，圖中①、②共同反映了熱傳遞改變內(nèi)能的過程。而圖中③部分是對車胎放氣顯出的溫度變化，④是放氣過程結(jié)束，溫度向室溫恢復(fù)。當(dāng)用打氣筒給車胎打氣，圖中⑤明顯反映了對氣體做功引起物體內(nèi)能增大，溫度升高。這樣不易感知的溫度變化通過圖線帶給學(xué)生深刻的感受。
四、對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)入物理教學(xué)的思考
1．轉(zhuǎn)化教師觀念，正確理解信息技術(shù)與物理學(xué)科整合的內(nèi)涵。
實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，每一個物理概念和規(guī)律都是建立在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于儀器的落后以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，很多物理實(shí)驗(yàn)只能做定性分析，教師讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生對現(xiàn)象進(jìn)行推理、分析最后得出正確的結(jié)論。雖然推理是物理研究的重要方法之一，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力，但教學(xué)中大量使用不僅會讓老師的動手能力下降，學(xué)生更看不到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，難以真正理解物理的學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)使教師認(rèn)識到，教育的信息化不是簡單的把課堂搬個家，而是通過信息技術(shù)手段，使教育資源配置更優(yōu)化，教學(xué)過程更高效。信息技術(shù)不是作為輔助教師教學(xué)的演示工具，而是要實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的“融合”，要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會把信息技術(shù)作為獲取信息、探索問題、協(xié)作討論、解決問題和構(gòu)建知識的認(rèn)知工具。
2．鞏固物理實(shí)驗(yàn)的地位，促進(jìn)教師的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治鏊降奶嵘?，讓教研落到?shí)處。
傳感器只是一個傳遞信號的儀器，圖像也只是一個圖片，但教師要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識圖象，挖掘圖象的含義，這就為教師發(fā)揮自己的能力提供了廣闊的平臺。同時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也為教研活動開辟了新的道路。
在準(zhǔn)備《摩擦力》一節(jié)時(shí)，我和參與教師都表現(xiàn)出極大的興趣，一遍又一遍在不同的接觸面上做實(shí)驗(yàn)，最后確定了接觸面分別用毛玻璃和一種包裝紙。會后引進(jìn)傳感器的學(xué)校高一年級教師都用這種方法講授了這一節(jié)，完成了新課標(biāo)的要求，也在學(xué)生中引起極大的興趣，無形中提高了物理教學(xué)的實(shí)效性。
用熱傳感器反映氣體內(nèi)能變化的實(shí)驗(yàn)儀器，最初是傳感器公司提供給我們的。但當(dāng)授課教師通過《內(nèi)能的改變 熱量》一節(jié)展示出來的時(shí)候，教師們的驚奇和贊嘆表露無疑。課后上交的評課記錄上老師們都很深刻的寫下了對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識，青年教師更寫出了愿意多參加并參與到這樣的活動中來提高自己實(shí)驗(yàn)和分析能力的愿望。
3．深化探究教學(xué)，著眼于科學(xué)方法的教育，培養(yǎng)學(xué)生研究問題的科學(xué)習(xí)慣。
新課程理念之一是“注重科學(xué)探究，提倡學(xué)習(xí)方式多樣化”。從《摩擦力》一節(jié)分析可知，對物理概念的建立，物理規(guī)律的形成過程需要學(xué)生揣摩的實(shí)驗(yàn)，引入傳感器會收到事半功倍的作用。同時(shí)引入傳感器可以開發(fā)課本資源，變課本習(xí)題為實(shí)驗(yàn)，深入挖掘習(xí)題蘊(yùn)涵的道理，可以改進(jìn)原來做不出的實(shí)驗(yàn)。這樣又為物理學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)提供了內(nèi)容。
傳感器的引入更強(qiáng)化了用數(shù)學(xué)分析物理問題的意識，讓物理實(shí)驗(yàn)具有更高的真實(shí)性，讓學(xué)生對科學(xué)方法有了親身體驗(yàn)。物理學(xué)的發(fā)展離不開數(shù)學(xué)，學(xué)好高中物理更離不開數(shù)學(xué)。愛因斯坦說過，數(shù)學(xué)給予精密的自然科學(xué)以某種程度的可靠性，沒有數(shù)學(xué)，那些學(xué)科是達(dá)不到那么高的可靠性的。圖象的充分利用是強(qiáng)化數(shù)學(xué)在物理教學(xué)中的作用的一個重要體現(xiàn)。如上面所述，溫度給人們的感覺一直是親身體驗(yàn)的冷熱程度，而應(yīng)用傳感器，使學(xué)生學(xué)習(xí)到另一種感知事物的方式，那就是真實(shí)的數(shù)據(jù)同樣會令人有身臨其境的體驗(yàn)。久而久之會讓學(xué)生養(yǎng)成一種研究問題通過“現(xiàn)象──實(shí)驗(yàn)──數(shù)據(jù)”的科學(xué)習(xí)慣。
4．喚起學(xué)生的問題意識，教會學(xué)生思維，大大提高科學(xué)探究過程的實(shí)效。
探究式教學(xué)是以探索、研究物理規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)活動為中心，以學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展探究能力的培養(yǎng)為根本的一種教學(xué)方法。探究式教學(xué)強(qiáng)調(diào)“猜想—驗(yàn)證—歸納”的科學(xué)探究過程。普通實(shí)驗(yàn)的定性研究和引入傳感器的定量研究相結(jié)合，教師通過對比，使學(xué)生做有知的猜測，可以鼓勵學(xué)生積極參與，喚起學(xué)生對問題解決過程的認(rèn)識，有助于開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，并教會他應(yīng)對某一具體情況下可能需要的知識。實(shí)驗(yàn)證明，學(xué)生比教師接受數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更快?！赌Σ亮Α方虒W(xué)中學(xué)生對圖5中物塊從要動到運(yùn)動之間不規(guī)則變化的曲線提出了疑問，在教師的引導(dǎo)下認(rèn)識到這是由于板在拉動中細(xì)繩抖動造成的不穩(wěn)定。
5．突出教師的主導(dǎo)地位，尊重學(xué)生的個體差異，讓每一位學(xué)生都體驗(yàn)不同程度的成功，并能在同伴互助中取得更大的進(jìn)步。
傳感器引入物理教學(xué)，更利于教師主導(dǎo)地位的體現(xiàn)。教師只要教會學(xué)生處理數(shù)據(jù)的方法，再遇到類似問題，只要做到點(diǎn)撥和指導(dǎo)，讓學(xué)生在研究和歸納的過程中感性地理解物理變化及其規(guī)律，這樣學(xué)生最終不僅可以更深入地理解物理學(xué)的現(xiàn)象，而且可以學(xué)會物理學(xué)的一種精神，即獨(dú)立思考、大膽假設(shè)和嚴(yán)謹(jǐn)探索實(shí)驗(yàn)的科學(xué)精神。
一幅圖擺在學(xué)生面前，不同程度的學(xué)生會有不同的理解，但只要看出相關(guān)的問題，教師就可以給予肯定，盡可能調(diào)動學(xué)生的積極性；在同學(xué)們對解決問題的討論中切磋，懂得互助，學(xué)會合作。
6．新儀器是時(shí)代進(jìn)步的產(chǎn)物，推動教師腳踏實(shí)地的研究它，同時(shí)促進(jìn)自己應(yīng)對課堂的綜合能力的再提高。
現(xiàn)代技術(shù)的不斷提高，給教師帶了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，教師要在新課程中體現(xiàn)自身的價(jià)值就必須再學(xué)習(xí)，必須接受新儀器，新手段。學(xué)會對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“再挖掘”，為開發(fā)其潛在的教育和教學(xué)功能作好充分的研究。
新技術(shù)的使用不是花架子，它的使用豐富了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，在科學(xué)的基礎(chǔ)上使實(shí)驗(yàn)有新的發(fā)展，并且豐富了學(xué)生的視野、開闊了他們的思路。但新技術(shù)的使用，對于剛剛接觸這種研究手段的學(xué)生來說，理解起來會有困難，因此教師應(yīng)該注重引導(dǎo)，循序漸進(jìn)，對新儀器以及使用新儀器采集到的相關(guān)信息進(jìn)行及時(shí)解釋。
值得注意的是，越在以現(xiàn)代技術(shù)手段為支撐的教學(xué)活動中，協(xié)調(diào)好師、生與媒體三者之間的關(guān)系越顯得尤為關(guān)鍵。由于媒體的影響，學(xué)生的注意力極有可能從教學(xué)活動中游離出來，從而影響教學(xué)，因此必須加強(qiáng)對學(xué)生活動的引導(dǎo)與控制，做到收放自如，使教學(xué)活而不亂。
綜上所述我們感到，課程改革是隨著社會發(fā)展、時(shí)代進(jìn)步的必然進(jìn)程，課程改革促進(jìn)了教師再發(fā)展。新的教學(xué)模式需要教師的探索，新儀器需要教師的研究，只有教師將自己的思想與教學(xué)行為提升到與時(shí)代同步，才能帶動學(xué)生的發(fā)展，才能讓中學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐精神和創(chuàng)新意識得到發(fā)生和發(fā)展。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的使用讓學(xué)生的思維達(dá)到了更高的層次，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在我區(qū)僅僅是個開始，今后我們會繼續(xù)將融入信息技術(shù)的探究課堂深入研究下去，以期得到更好的課堂改革經(jīng)驗(yàn)，在課堂教學(xué)的實(shí)效性上的到更好的成果。
參考資料：
1．郅庭瑾．《教會學(xué)生思維》．教育科學(xué)出版社．2001年版
2．廖伯琴 張大昌．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）解讀》．湖北教育出版社 |
| 2007-10-19 人教網(wǎng) |
