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管窺數(shù)字技術(shù)在物理實驗教學中的應用

◇山東董曉臻

物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學,《普通高中物理課程標準(實驗稿)》中明確指出:“物理實驗是高中物理教學中的重要內(nèi)容” “重視將信息技術(shù)應用到物理實驗室,加快中學物理實驗軟件的開發(fā)和應用,諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù),分析實驗結(jié)果等”．

對于以實驗為基礎(chǔ)的物理學科而言,當前改革是緊緊圍繞物理實驗進行的．自2003年朗威DISLAB數(shù)據(jù)采集器正式推出起,研制開發(fā)的應用于物理實驗教學的傳感器數(shù)字技術(shù)產(chǎn)品大批量涌現(xiàn)，傳感器和數(shù)字化處理系統(tǒng)的結(jié)合為物理實驗教學提供了全新的技術(shù)手段和平臺,使物理實驗教學翻開了嶄新的一頁．

1數(shù)字化實驗系統(tǒng)在實驗教學中的應用

1.1采集一些瞬時性的物理量

受實驗器材限制,一些變化很快的物理量的瞬時值通過傳統(tǒng)的實驗器材是很難測得的,例如摩擦力的變化、瞬時速度、瞬時力(作用力和反作用力的關(guān)系)等．現(xiàn)在我們采用以傳感器為核心的數(shù)字技術(shù),非常簡單地就能夠得到這些數(shù)據(jù),給學生以非常直觀的認識，彌補傳統(tǒng)實驗的不足．如圖1就是利用傳感器得到的物塊和木板間摩擦力的變化關(guān)系;而圖2是在探究作用力和反作用力關(guān)系時,利用傳感器技術(shù)得到的2個力瞬時對應關(guān)系．它們都給學生以非常直觀的認識，而在傳統(tǒng)實驗中這種瞬時關(guān)系是我們很難得到的．

圖1　　　　　　　　　　　　　圖2

1.2快速進行數(shù)據(jù)處理和分析

傳統(tǒng)實驗中,尤其是課堂演示實驗,很難進行復雜的數(shù)據(jù)處理性實驗,只能演示一些定性分析性實驗.現(xiàn)在應用數(shù)字技術(shù),采集完數(shù)據(jù)后,利用智能處理系統(tǒng),可以自動處理數(shù)據(jù),包括繪制物理量關(guān)系圖線．例如,學生在探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系實驗時,利用傳感器采集數(shù)據(jù),利用智能處理系統(tǒng)計算機可以瞬間擬合成圖象,省去作圖時間．尤其是在課堂演示實驗中,將學生從煩瑣的數(shù)據(jù)處理過程中解脫出來后,師生可以把精力從簡單數(shù)據(jù)處理層面上轉(zhuǎn)移到分析較深入的數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系上．

2虛擬實驗系統(tǒng)在實驗教學中的應用

虛擬實驗就是利用計算機虛擬現(xiàn)實實驗．它將實驗儀器、實驗環(huán)境、實驗環(huán)節(jié)等全部在計算機仿真系統(tǒng)中利用技術(shù)生成，是計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學上的一個重要運用．它既可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)實驗,也可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)實驗室無法達到的特殊環(huán)境,例如高溫、強電、強磁、高能粒子、空間實驗等．使用者帶上相應數(shù)據(jù)傳感設(shè)備,比如特殊的頭盔、手套等,就可以進入虛擬的實驗環(huán)境中,操作虛擬環(huán)境中的各種虛擬的實驗器材,進行相應的實驗．可以預見,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展,必將引發(fā)物理實驗教學的深刻變革．

2.1為真實實驗前期準備

學生通過虛擬實驗了解實驗器材、實驗內(nèi)容和實驗過程．在實際操作時就可以根據(jù)虛擬操作中出現(xiàn)的問題,做適當?shù)恼{(diào)整、注意和規(guī)避，從而提高實驗教學效果和減少不必要的設(shè)備損失．

2.2較為容易地擴充實驗教學內(nèi)容

學校只需要購買相應的軟件構(gòu)建成虛擬實驗室,而不必用大量的資金去添置實際設(shè)備．這樣做既能夠節(jié)省資金,又給實驗教學本身以更大的自由度，既涉及以前教學實驗無法涉及的領(lǐng)域,也給予學生更大的學習空間,激發(fā)他們的想象力、創(chuàng)造力，同時教師在設(shè)計實驗教學時也有更大的選擇空間．

2.3模擬特殊環(huán)境

模擬的特殊環(huán)境有高溫、強電、強磁、高能粒子、空間實驗等．這樣的環(huán)境在傳統(tǒng)實驗中我們是無法在其中完成相應的實驗探究的,但在虛擬環(huán)境中學生就能夠借助傳感器完成相應的實驗課題．

隨著教育技術(shù)不斷革新,筆者相信數(shù)字技術(shù)在物理實驗教學中的應用也會越來越廣泛,未來的課堂教學數(shù)字技術(shù)必然會大行其道,在物理實驗教學中也將具有舉足輕重的地位．數(shù)字技術(shù)和傳統(tǒng)實驗二者有機結(jié)合,也為我們的實驗教學設(shè)計提供了更多的可能．

(作者單位：山東省濰坊市濰坊濱海中學)