王婷婷

【內(nèi)容摘要】數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已經(jīng)悄然走進(jìn)初中各科教學(xué)中，它有利于打造信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的新型教學(xué)模式，它所提供的大數(shù)據(jù)更有效地展示現(xiàn)象、揭示規(guī)律，能高效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維能力。從2015年開(kāi)始，我們?cè)诔踔形锢砹W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中首先引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并對(duì)一些好的、典型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)與反思。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 初中物理? 力學(xué)? 設(shè)計(jì)? 思考

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已經(jīng)悄然走進(jìn)初中各科教學(xué)中，它有利于打造信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的新型教學(xué)模式，它所提供的大數(shù)據(jù)更有效地展示現(xiàn)象、揭示規(guī)律，能高效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（DIS）進(jìn)入初中物理課堂令師生在有限之時(shí)間內(nèi)得到并處理海量數(shù)據(jù)成為可能，從2015年開(kāi)始，我們?cè)诔踔形锢砹W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中首先引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并對(duì)一些好的、典型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)與反思。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（DIS）設(shè)備概述

1.傳感器：這是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它將我們研究的物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)平臺(tái)。初中力學(xué)教學(xué)中常用的傳感器包括力傳感器、位移傳感器、光傳感器、聲傳感器等。

2.數(shù)據(jù)采集器：是傳感器與計(jì)算機(jī)之間的轉(zhuǎn)換器。

3.配套實(shí)驗(yàn)儀器：進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究的儀器，如導(dǎo)軌、小車、燈泡等。

4.計(jì)算機(jī)及軟件：處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并將物理規(guī)律以數(shù)學(xué)方式圖表和圖象展示在顯示屏上。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于課堂時(shí)間和處理速度限制，往往不夠快速，數(shù)據(jù)也不夠全面，得出的規(guī)律具有一定局限性。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)打破了這種局限，使得數(shù)據(jù)的處理更加直觀、更加科學(xué)、更加規(guī)范。

二、數(shù)字化（DIS）力學(xué)實(shí)驗(yàn)舉例

1.探究重力大小與質(zhì)量的關(guān)系

重力與其質(zhì)量的關(guān)系是初中物理力學(xué)中常用關(guān)系，如何引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)并分析、處理數(shù)據(jù)，從而對(duì)這一關(guān)系深刻理解？

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中首先將力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，用轉(zhuǎn)接器將傳感器固定在鐵架臺(tái)上，使其測(cè)鉤豎直向下，對(duì)傳感器調(diào)零;再用天平稱出各鉤碼的質(zhì)量;依次增加鉤碼數(shù)量，記錄一組數(shù)據(jù);點(diǎn)擊“公式”，輸入自定義公式“K=F1/m”，得到計(jì)算結(jié)果基本為一常數(shù);點(diǎn)擊“繪圖”，設(shè)定x軸為“m”，y軸為“F1”。數(shù)據(jù)點(diǎn)的排列呈現(xiàn)明顯的線性特征。點(diǎn)擊“線性擬合”，得到一條過(guò)原點(diǎn)的擬合圖線。

從圖像上可以直觀得出結(jié)論：重力的大小與質(zhì)量成正比，還可以通過(guò)各地學(xué)生做實(shí)驗(yàn)得到不同的圖象來(lái)引導(dǎo)學(xué)生分析比值在不同地點(diǎn)是不同的。

2.探究相互作用力的規(guī)律。

如何讓學(xué)生生成相互作用力的特點(diǎn)并形成深刻的印象？利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這一問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將兩只力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器;啟動(dòng)“組合圖線”功能;兩手各持一只力傳感器，讓兩傳感器的測(cè)鉤互相鉤住，兩手用力拉或壓，得兩條“力-時(shí)間”組合顯示圖線。觀察發(fā)現(xiàn)兩條圖線基本重合，表示兩力大小相等;選中其中一條圖線，點(diǎn)擊“設(shè)置”，設(shè)為“鏡像顯示”，對(duì)兩個(gè)力的方向加以區(qū)別;實(shí)驗(yàn)中可以故意讓兩傳感器手柄不平行，讓學(xué)生觀察得到的圖象，發(fā)現(xiàn)其不同并分析其原因;在實(shí)驗(yàn)中，我們還取下測(cè)鉤，設(shè)法在鎖緊螺栓上固定上強(qiáng)力磁鐵，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察磁力是否符合同樣規(guī)律;通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了相互作用力的大小、方向等關(guān)系。

3.研究勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律是運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)，通過(guò)學(xué)生間的相互配合、分工協(xié)作和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析處理，可以培養(yǎng)團(tuán)結(jié)互助的合作精神和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，并且教學(xué)過(guò)程中重視物理圖像的教學(xué)，可以進(jìn)一步訓(xùn)練他們運(yùn)用、分析物理圖線的技能。我們需要的器材：小車、軌道、發(fā)射器、接收器、數(shù)據(jù)采集器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將傳感器接收器接入數(shù)據(jù)采集器，并固定在力學(xué)軌道的一端，將小車與發(fā)射器固定，調(diào)節(jié)軌道在合適的高度，使得小車能夠做近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，并調(diào)整好接收器和發(fā)射器的位置，讓小車從較高一端滑下，從顯示器中得出“s-t”圖像，從圖像中我們可以看出小車是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)，如果出現(xiàn)曲線則表明小車未做勻速直線運(yùn)動(dòng)，再來(lái)調(diào)整軌道的高度，最終得出有效區(qū)域是s-t圖像與擬合圖像重合，即表明小車在做勻速直線運(yùn)動(dòng)的路程與時(shí)間成正比函數(shù)變化。從圖像中也可以計(jì)算出小車運(yùn)動(dòng)的速度。

三、數(shù)字化（DIS）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的思考

1.要樹(shù)立DIS實(shí)驗(yàn)新觀念，深刻理解信息技術(shù)滲透物理教學(xué)的內(nèi)涵

在初中物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是基本教學(xué)方法，所有物理規(guī)律都建立在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上。在物理教學(xué)中通過(guò)DIS新技術(shù)運(yùn)用，可以增加發(fā)現(xiàn)兒童的機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)初中物理實(shí)驗(yàn)，直觀鮮明呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，適時(shí)、多次、多樣化地深度研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)避了物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中的低效、很多實(shí)驗(yàn)只能定性分析、結(jié)論片面甚至失真等長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，學(xué)生更側(cè)重發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、分析問(wèn)題，強(qiáng)化敏銳數(shù)據(jù)意識(shí)、科學(xué)思維品質(zhì)等方面的訓(xùn)練。從而全面提升學(xué)生科學(xué)思維，培養(yǎng)未來(lái)的數(shù)據(jù)分析師，培養(yǎng)有創(chuàng)新精神的人才。

例如在《重力與質(zhì)量的關(guān)系》一課探究中，同學(xué)們從測(cè)量出的數(shù)據(jù)上、圖象上、對(duì)比中更快速地領(lǐng)會(huì)到了二者之間的規(guī)律，信息技術(shù)滲透物理課堂帶來(lái)的好處不言而喻，這就是大數(shù)據(jù)分析給物理高效課堂帶來(lái)的高度可能性。

2.要提高物理教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力，更好地適應(yīng)現(xiàn)代化物理教學(xué)

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)歸納普遍性規(guī)律時(shí)，僅用3組以上的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生耗費(fèi)寶貴的探究時(shí)間去描點(diǎn)、分析，勉強(qiáng)得出“普遍規(guī)律”，實(shí)質(zhì)上局部的規(guī)律;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱DIS）是以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，利用軟件分析處理，以坐標(biāo)圖、數(shù)據(jù)表等多種形式實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，具有可視性、直觀性、拓展性等特點(diǎn)。

在DIS實(shí)驗(yàn)中，傳感器傳遞信號(hào)，得到的圖像顯示出來(lái)，看上去很簡(jiǎn)單。但是要求教師要設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)、適當(dāng)引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)、挖掘圖象的含義，同時(shí)提高了教師的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力。

《摩擦力》數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，我們多次在不同粗糙程度的接觸面上做實(shí)驗(yàn)并比較，確定接觸面材料采用報(bào)紙和毛玻璃。實(shí)驗(yàn)班級(jí)上過(guò)后，教師們的驚奇和贊嘆表露無(wú)疑，各班都用此裝置上了一下，效果非常好，不僅完成了教學(xué)任務(wù)，還激發(fā)了學(xué)習(xí)探究實(shí)驗(yàn)的興趣，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

3.要實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)探究常態(tài)化，注重科學(xué)方法教育和科學(xué)思維培養(yǎng)

初中學(xué)生的邏輯思維、抽象思維、創(chuàng)新思維等都在發(fā)展關(guān)鍵期，初中物理與數(shù)學(xué)方法結(jié)合是發(fā)展學(xué)生思維的重要平臺(tái)，利用幾組數(shù)據(jù)，靠學(xué)生手繪尋找規(guī)律的過(guò)程不僅耗費(fèi)時(shí)間，還降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，也與時(shí)代的發(fā)展不相適應(yīng)。大數(shù)據(jù)視角下，采用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中挖掘數(shù)據(jù)、高效利用數(shù)據(jù)的意識(shí)，并且激活初中學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展。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《相互作用力》一節(jié)教學(xué)的分析可以看到，物理概念的建立，物理規(guī)律的生成過(guò)程通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示的效果是多么顯著，可以說(shuō)“印象深刻、事半功倍”。例如相互作用力的規(guī)律一下是以人們的直觀感覺(jué)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的，而傳感器的應(yīng)用則讓學(xué)生有了更直觀、更明確、更真實(shí)的認(rèn)識(shí)方式，身臨其境、無(wú)須多加解釋。學(xué)生會(huì)逐漸養(yǎng)成在實(shí)驗(yàn)探究中從“現(xiàn)象——實(shí)驗(yàn)——數(shù)據(jù)”的科學(xué)探究習(xí)慣。

4.要推動(dòng)教師腳踏實(shí)地研究DIS實(shí)驗(yàn)，不斷尋求更優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳感器引入物理教學(xué)，更利于教師主導(dǎo)地位的體現(xiàn)。比如在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中可規(guī)避的一些與知識(shí)不符合的數(shù)據(jù)，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中都可能出現(xiàn)的處理方法;再如由于傳感器的應(yīng)用而導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)量工具的使用教學(xué)問(wèn)題等。

我們首先要進(jìn)行研討，再學(xué)習(xí)新儀器、新手段的應(yīng)用。使用新的實(shí)驗(yàn)方案不是對(duì)原有實(shí)驗(yàn)方案的全盤否定，而是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)一步提升。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)要能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)和創(chuàng)造能力，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要能夠使學(xué)生易于接受，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)更好地推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)。我們應(yīng)該注重引導(dǎo)，循序漸進(jìn)，適時(shí)、精準(zhǔn)地進(jìn)行講解、說(shuō)明。

從上述的實(shí)踐與思考中，我們可以看到：大數(shù)據(jù)時(shí)代的需要和學(xué)生素質(zhì)發(fā)展的需要促使我們要及早研究并使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，這樣才能在課堂有限的時(shí)間和時(shí)間里實(shí)現(xiàn)最大化的教學(xué)效果。這需要我們不斷地學(xué)習(xí)、研討、實(shí)踐、總結(jié)、提高，才能一步一步達(dá)到打造信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的新型教學(xué)模式，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所提供的大數(shù)據(jù)更有效地展示現(xiàn)象、揭示規(guī)律，高效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維能力的目標(biāo)。

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