董光順

(曲靖一中 云南 曲靖 655000)

隨著新課程改革的推進(jìn)，數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)得到了較好的推廣和發(fā)展，在發(fā)達(dá)地區(qū)甚至已經(jīng)普及.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)空白，使得實(shí)驗(yàn)手段逐步趨于多元化，但與此同時(shí)，面對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢和不足，越來越多的教師開始困惑，以DIS為代表的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)姆N更符合學(xué)生的發(fā)展需求，更有不少教師采取了抵觸DIS或者徹底拋棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的極端做法.鑒于此，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各自特點(diǎn)，筆者就中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，如何以實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向?qū)?shí)驗(yàn)類型的選擇進(jìn)行一些探討，并結(jié)合部分案例扼要說明.

1 簡述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的功能特點(diǎn)

目前，對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作出詳細(xì)介紹的文章已經(jīng)很多，此處便不再贅述，現(xiàn)筆者僅結(jié)合自身對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的理解，對其功能特點(diǎn)作扼要介紹.

(1)測量范圍廣，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性或空白.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)憑借對信息化技術(shù)的應(yīng)用，利用磁敏元件、光敏元件、聲敏元件、特種G-M計(jì)數(shù)管等器件開發(fā)了一系列類似于磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量，放射性物質(zhì)輻射強(qiáng)度的測量，微小電流信號的測量等很多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段做不好或做不了的實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白，有效地拓寬了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)范圍.

(2)實(shí)時(shí)測量并記錄數(shù)據(jù)，便于展示測量數(shù)據(jù)在過程中的變化，并增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的對比性.

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)測量和實(shí)時(shí)記錄的特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件，可將測量對象在整個(gè)過程中的變化情況更便捷、清晰地展現(xiàn)出來.另外，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的這一特點(diǎn)，在做牛頓第三定律等實(shí)驗(yàn)時(shí),可將作用力與反作用力大小關(guān)系對比地展示出來.

(3)測量精度高、靈敏度好，節(jié)省數(shù)據(jù)處理時(shí)間，改變了實(shí)驗(yàn)課堂的時(shí)間分配和重心.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集方式和記憶功能，為學(xué)生進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)的采集和處理節(jié)約了很多時(shí)間.根據(jù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研發(fā)中心對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂中，學(xué)生在各環(huán)節(jié)的活動(dòng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)查,獲得如圖1所示的結(jié)果.該結(jié)果顯示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)成功地將課堂重心傾向于物理知識和規(guī)律的探索研究，當(dāng)然，也弱化了學(xué)生在操作、計(jì)算、歸納等方面能力的培養(yǎng).

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配對比圖

(4)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理復(fù)雜，增大了學(xué)生對儀器原理的認(rèn)知難度，影響學(xué)生對知識的構(gòu)建.

長期以來，在國內(nèi)外都要求中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)尤其是演示實(shí)驗(yàn)要簡潔、直觀并突出重點(diǎn)，例如，美國的《美國科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》就提倡不用昂貴的或精密的儀器，而鼓勵(lì)教師直接從日常生活用品中取材，經(jīng)過匠心獨(dú)運(yùn)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、探究.

在學(xué)生對于傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)編程語言和圖像模擬等方面涉及到的知識零儲(chǔ)備的背景下，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)信息的獲得和處理涉及到的信號發(fā)射、接受、輸入、處理、顯示等系列復(fù)雜的過程，超出了中學(xué)生的認(rèn)知能力.加之多數(shù)教師對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟、硬件系統(tǒng)的了解程度不深，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料匱乏等重要因素，對于學(xué)生而言，DIS實(shí)驗(yàn)雖然如此神奇，卻難免變得神秘，對于不在少數(shù)的學(xué)生而言，數(shù)據(jù)的獲得和處理過程猶如“暗箱操作”. 筆者認(rèn)為，學(xué)生對一個(gè)陌生物理規(guī)律的習(xí)得，必須建立在其堅(jiān)信這一系列過程具有科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性的基礎(chǔ)之上，否則，對于這一部分學(xué)生而言，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將無異于虛擬的課件，同時(shí),他們對一個(gè)物理內(nèi)容的理解程度，也必將受到對相關(guān)內(nèi)容構(gòu)建過程中，所涉及到的事件的理解程度的影響.DIS系統(tǒng)的“神秘性”，一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的實(shí)現(xiàn).

(5)DIS系統(tǒng)的過度智能不利于部分重要基礎(chǔ)能力的培養(yǎng).

DIS進(jìn)入中學(xué)課堂伊始，不少師生就將其定位為“傻瓜機(jī)”，當(dāng)然，這是一種有失客觀的評價(jià).但毋容置疑，過多地依賴于DIS對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能采集、智能處理，必將弱化很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂所關(guān)注的類似于多用表、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等大量經(jīng)典儀器的操作能力，以及數(shù)據(jù)記錄、運(yùn)算和作圖、歸納等基礎(chǔ)能力的培養(yǎng).

優(yōu)秀的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)卻恰恰具備了設(shè)計(jì)巧妙，過程明了，現(xiàn)象簡潔、直觀，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)能力等功能特點(diǎn).

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)形式的選擇

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)形式和方案的選擇不僅僅取決于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，還應(yīng)關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中的能力、方法等過程目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)形式和方案是否得當(dāng)又很大程度影響了這些目標(biāo)的達(dá)成.那么，怎樣科學(xué)、得當(dāng)?shù)剡x擇實(shí)驗(yàn)形式和方案？筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)方案的選擇一定要以實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為導(dǎo)向，并基于兩種實(shí)驗(yàn)形式各自的功能特點(diǎn)進(jìn)行.在此，筆者按類別結(jié)合一些典型的例子給予說明.

類別1：基于DIS測量的廣泛性和精確性，中學(xué)物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中類似于放射源、微電流測定等一類想做而做不了或者想做而做不好的實(shí)驗(yàn)，在數(shù)字化條件下可順利完成，尤其是電磁學(xué)、熱力學(xué)和原子物理的實(shí)驗(yàn)部分.

類別2：基于DIS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測量和圖像的對比展示功能，動(dòng)態(tài)地展示研究量在變化過程中的性質(zhì)，增強(qiáng)現(xiàn)象的對比性.

實(shí)例1：在牛頓第三定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的做法是，利用彈簧測力計(jì)對拉，用眼讀數(shù)并比較不連續(xù)的狀態(tài)下，兩個(gè)作用力的大小關(guān)系.而我們寄希望測量數(shù)據(jù)更為精確，并且能夠讓學(xué)生觀察到在施力變化的整個(gè)過程中，兩個(gè)力的大小持續(xù)相等，從而突出牛頓第三定律的普適性.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的使用，如圖2所示，不僅很好地完成了實(shí)驗(yàn)的知識性目標(biāo)，還有效避免了因測力計(jì)中彈簧的形變性能、讀數(shù)誤差、實(shí)驗(yàn)者在讀數(shù)過程中施力的微變化等因素造成的誤差.

圖2 牛頓第三定律的演示

圖3 用力傳感器拉動(dòng)木塊

實(shí)例2：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，我們苦惱于摩擦力不可直接測量，希望能夠通過實(shí)驗(yàn)探究靜摩擦力的大小并展示最大靜摩擦力.在這樣的既定實(shí)驗(yàn)?zāi)康南?，結(jié)合DIS的實(shí)時(shí)測量和圖像的對比展示功能，使用力傳感器記錄緩慢拉動(dòng)木塊(圖3)時(shí)力的變化,獲得如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.展現(xiàn)了摩擦力在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)時(shí)漸變過程，并清晰地展示了物塊從靜摩擦力到滑動(dòng)摩擦力的過渡，使得最大靜摩擦力變得“可視化”.

圖4 用力傳感器拉動(dòng)木塊時(shí)力的變化

類別3：基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙,現(xiàn)象直觀和重點(diǎn)突出等特點(diǎn)，可利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建物理情境，定性地展示物理規(guī)律.

系列實(shí)例：在教學(xué)實(shí)踐中，很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的使用能較好地為學(xué)生搭建物理情境，構(gòu)建知識，或?qū)⑾盗谐橄蟮囊?guī)律直觀地展現(xiàn)出來，諸如，此類的經(jīng)典傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)還有很多，例如“水流星”實(shí)驗(yàn)(圖5)、曲線運(yùn)動(dòng)速度方向演示實(shí)驗(yàn)(圖6)、碰撞(圖7)、共振實(shí)驗(yàn)(圖8)、耦合擺(圖9)等.

圖5 “水流星”實(shí)驗(yàn)

圖6 曲線運(yùn)動(dòng)速度方向演示

圖7 碰撞

圖8 共實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 圖9 耦合擺

諸多經(jīng)典的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)的巧妙性和趣味性上都是獨(dú)具優(yōu)勢的.從實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的理念層面上來看，這些實(shí)驗(yàn)非常符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)；在學(xué)生能力培養(yǎng)的層面上，經(jīng)典的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和過程，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識并提高其創(chuàng)造能力；從教學(xué)實(shí)踐層面上而言，很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軇?chuàng)造情境，激發(fā)興趣，并直觀地突出研究元素.

類別4：在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)前，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段也能較為精確地測量一些物理量.對于這一類別的實(shí)驗(yàn)，更要基于兩種實(shí)驗(yàn)形式的功能特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行選擇.此處以加速度的測量為例展開說明.

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的比較如圖10,11所示.

圖10 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究勻變速運(yùn)動(dòng)加速度

圖11 DIS研究勻變速運(yùn)動(dòng)加速度

(2)所測得數(shù)據(jù)的比較如圖12和表1第1～5列所示.

圖12 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所測得的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)序號t1/st2/st12/sd/mv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)a/(m·s-2)10.063060.035250.741960.0300.47570.85110.506020.066740.035830.766010.0300.44950.83730.506330.075370.036990.817910.0300.39800.81100.504940.080700.037580.847060.0300.37170.79830.503650.063110.035250.742080.0300.47540.85110.506360.055490.036100.575390.0300.54060.83100.504770.052170.035130.551420.0300.57500.85400.506080.064200.038160.632070.0300.46730.78620.504590.073550.039870.685430.0300.40790.75240.5026100.083190.041170.733300.0300.36060.72870.5020

(3)處理結(jié)果的比較如圖13和表1第6～8列所示.

圖13

(4)教學(xué)功能特點(diǎn)的比較如下.

打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所達(dá)成的教學(xué)效果:

1)能有效鍛煉操作、計(jì)算、作圖等基礎(chǔ)能力.

2)實(shí)驗(yàn)原理和操作過程清晰、明確.

3)能更好地體驗(yàn)加速度的獲得過程.

4)能感受到實(shí)驗(yàn)中誤差的存在和真實(shí)性.

5)能有效地鍛煉Δs=aT2的應(yīng)用.

6)能鞏固練習(xí)“中間時(shí)刻的速度與平均速度”的規(guī)律.

7)便于學(xué)生直觀感受相同時(shí)間內(nèi)a與位移的變化量的關(guān)系.

8)過程繁瑣，花費(fèi)時(shí)間較多.

DIS實(shí)驗(yàn)所達(dá)成的教學(xué)效果:

1)能較精確、快速地獲得加速度，為課堂其他環(huán)節(jié)贏得時(shí)間.

2)體會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)在物理規(guī)律探究中的應(yīng)用.

3)實(shí)驗(yàn)的軟、硬件系統(tǒng)復(fù)雜，超出學(xué)生認(rèn)知水平，部分學(xué)生對結(jié)果的獲得會(huì)存有疑慮.

4)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的智能性弱化了基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，可能造成部分學(xué)生對計(jì)算機(jī)的過度依賴.

情形1：若此節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是認(rèn)識和測量加速度，并希望在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生利用已有知識解決問題的能力，鍛煉學(xué)生計(jì)算、作圖等基礎(chǔ)能力，那么,結(jié)合兩種實(shí)驗(yàn)形式所達(dá)成的教學(xué)功能的特點(diǎn)，應(yīng)選擇傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)展開實(shí)驗(yàn).

情形2：若實(shí)驗(yàn)中的加速度僅作為一個(gè)用于比較的物理量，例如“探究加速度、質(zhì)量與力之間的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，希望盡可能快捷、精確地獲得加速度，從而將課堂重心放在三者關(guān)系的探究上，那么，無疑要選擇數(shù)字化實(shí)驗(yàn).

綜合而言，在知識構(gòu)建方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在諸多物理規(guī)律的定性展示和探究方面見長，而DIS在物理量的定量測量、動(dòng)態(tài)的過程分析方面有著不可替代的優(yōu)勢.在能力培養(yǎng)方面，DIS將新技術(shù)元素融合于物理實(shí)驗(yàn)課堂，改變了課堂時(shí)間的分配結(jié)構(gòu)，為學(xué)生探究、質(zhì)疑能力的養(yǎng)成贏得了更多的時(shí)間，不過在教學(xué)實(shí)踐中，由于受到很多因素的影響，這些能力培養(yǎng)的實(shí)效性還差強(qiáng)人意，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У靥岣邔W(xué)生計(jì)算、作圖、歸納等一些重要的基礎(chǔ)能力.在情感態(tài)度與價(jià)值觀方面，DIS融合了計(jì)算機(jī)、傳感器等當(dāng)代較為先進(jìn)的科技元素，加強(qiáng)了物理課堂與科技社會(huì)的聯(lián)系，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)卻更為本真地保留了物理規(guī)律獲得的探索歷程.

不論是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)還是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)都各有優(yōu)勢和不足，在教學(xué)實(shí)踐中絕不能將其置于兩個(gè)對立面.只有基于兩種實(shí)驗(yàn)各自的特點(diǎn)，緊扣實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo),充分認(rèn)識并開發(fā)這兩類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，協(xié)調(diào)互補(bǔ)，才能更為有效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).

參考文獻(xiàn)

1 孫素娟.高中物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn):[學(xué)位論文].上海：上海師范大學(xué)，2009