关于高中物理传统实验与数字化实验融合的深思

莫君荣 陈大军

（安徽省庐江中学，安徽合肥 231500）

引 言

数字化实验是指以传统实验技术为基础，通过数字化设备演示操作、采集和处理数据，通常由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件等构成。当前，数字化实验室日益普及，高中物理教师要认清传统实验和数字化实验间的关系，通过融合创新实验教学内容与形式，利用真实操作和形象的数字图形表达物理规律，提高学生的动手能力与思维水平[1]。

一、提高测量性能，减小误差

在高中物理实验教学中，实验出现误差是不可避免的，其按照原因可以分为系统误差和偶然误差两类。在传统实验中，测量仪器各个部分存在变形、间隙等风险，操作时测量力的变化或环境波动，以及人工读取与记录数据，均会影响实验结果[2]。数字化实验设备能够自动采集数据，从而减小因读数引起的误差，甚至基本消除。高中物理教师要将传统实验与数字化实验相融合，提高测量性能，减小误差，带给学生更为真实与准确的数据，帮助他们准确认识物理原理。

例如，在开展“牛顿第二定律”教学时，教师可以先带领学生回顾牛顿第一定律的相关知识，并设疑：“为什么说‘船大难调头’？”学生知道物体质量越大，运动状态越不容易改变，猜想到加速度同物体的质量有关。此时，教师可以设疑：“物体运动时加速度与质量、受力之间到底有怎样的关系？”从而引出实验主题。接着，教师演示牛顿第二定律的传统实验，启发学生研究a、m、F三者的关系，结合控制变量法来探究。当测小车受到的力时，教师可以引入数字化实验设备——力传感器，使其代替勾码，测出小车受到的拉力，提高测量性能和减小误差，改进传统实验装置。之后，教师指导学生借助力传感器和其他器材设计和讨论实验，通过测量弹簧弹力让砝码产生的加速度动态过程总结牛顿第二定律的规律，带领学生研究加速度同力、质量的关系。

二、有效节省课堂时间

在高中物理课堂教学中，教师如果一味地运用传统实验，将会占用大量的课堂时间，特别是测量量化的数据时，有限的时间通常会成为制约教学规划的因素[3]。因此，高中物理教师可以把传统实验与数字化实验有机融合，以数字化实验设备中的传感器为载体，快速进入实验阶段，利用电脑CPU来计算、分析和处理实验数据。

以“电池电动势和内阻的测量”教学为例，当用伏安法时，教师应先选择恰当实验器材，结合电路图正确连接实验电路，闭合开关，接通电路，调节滑动变阻器滑片的位置，读出电流I和电压U的值，重复5 至6 次，要求学生列表记录数据，使其利用U—I图像法处理记录的数据，指导他们求出电源的E与r。接着，教师连接数据采集器和计算机，把电压、电流传感器分别插入数据采集器的第一、第二通道，点击“当前脱机”按钮，让系统由“当前脱机”状态切换至“当前联机”状态，电压、电流传感器短接后一起校零。随后，教师设置实验属性，条件是“单点采样”，采集频率是“20Hz”，时间为“60s”，结合教板上的电位器开始实验，结束后自动生成一条拟合直线，省掉读数、记录和作图的时间，快速获得实验结果。

三、优化学生观察效果

实验的最终目的是为学生提供更全面和更多的观察机会，使其有效感悟、分析和掌握物理理论知识。在高中物理课程教学中，教师可利用传统实验冲击学生的触觉、视觉和听觉等感官，使其对探究内容获得初步感知，再借助数字化实验设备的优势，从瞬间运动变化、时间尺度与空间尺度等方面改进实验，增强实验的直观性和宏观化，优化学生的观察效果。

例如，在实施“互感和自感”教学时，针对自感现象的观察，教师可以先按照教材中给出的实验方案来演示实验，利用可拆变压器设计电路做断电自感实验，要求学生认真观察实验现象。在这个实验中，虽然学生可以看到两个灯泡在亮暗度上发生变化，但是实验现象不够明显，学生无法直接获得电流方向。此时，教师可以使用数字化实验系统演示自感实验，把课本中的两个实验合并在一起完成，实验电路图如图1所示。

图1

在这个闭合与断开开关的过程中，数字化实验系统软件得到两条支路电流变化曲线，其使用的频率是200Hz，即使电流很小无法让小灯泡变亮时，学生也能通过电流传感器采集到的数据进行分析和讨论，清晰地看到感应电流的整个变化过程，观察与归纳规律。

四、确保实验内容完整

在高中物理教学中，教师运用传统实验时，针对部分暂态变化与微小变化过程，很难直观、完整地将其呈现出来，每次实验仅仅得到一个“点”的数据。而数字化实验能够在一系列快速动态化的实验中呈现出多个“数据点”，且使其连成“一条线”，甚至是反复出现。对此，高中物理教师在课堂教学中，可以先用传统实验获得一个“点”，再结合数字化实验采集整个实验过程的数据，以确保实验内容的完整，辅助学生形成真实、全面的认知。

例如，在教学“牛顿第三定律”中，教师可以先与学生一起比赛拍掌，看谁拍出的声音最大，并随机提问学生讨论个人感受，很多学生会说两只手都拍疼、变红了。这时，教师可以引导其分析产生这一现象的原因，使其初步体会到两只手之间存在作用力，且是相互成对地出现。接着，教师可设置问题：“作用力和反作用力的大小、方向有什么关系？”引导学生提出猜想：“大小相等、方向相反。”接着，教师要指导他们操作传统实验：让两个水平弹簧秤对拉，第一次静止拉，第二次匀速直线运动状态下拉，第三次加速直线运动状态下拉，观察两个弹簧秤的读数同时变化、读数相等、拉力方向相反的现象，验证猜想。之后，教师用力传感器操作数字化实验，通过多个力更为真实、精确、完整地呈现作用力和反作用力的关系，让学生看到数据图像上下完全对称，使他们进一步验证猜想。

五、做好定量实验研究

高中物理教学中涉及的实验以启蒙性为主，大部分属于定性的观察类实验，定量实验的数量并不多，而且对精准度的要求不高。但是，物理知识具有典型的自然科学性与客观性，自然规律的精确性离不开定量实验的验证和研究，这关系到学生科学素养的形成，以及完整知识体系的建立。高中物理教师可把传统实验与数字化实验相融合，将定性的传统实验升级成定量研究，带领学生体会物理学的研究方法，锻炼与提高他们的学习能力。

例如，在进行“电容器的电容”教学时，当讲到电容跟哪些因素有关时，教师可以先拿出一个平行板电容器，提出问题：“电容器的电容是一个与电量、电势差无关的物理量，它的大小是由电容器本身的结构所决定的，那么电容器的电容跟电容器结构的哪些因素有关？”然后带领学生参考书中实验和录像分析，通过控制变量法利用数字电容表操纵实验，获得实验结果。

接着，教师使用数字化实验系统操作，快速获得实验中电压、电流随时间而发生变化的图像，指导学生通过对积分的运算来获取电量的数值，由此验证电容公式C＝Q/U的正确性，从而把定性实验升级成定量实验。当学生较为全面地认识了电容器的工作原理后，教师还可以通过对图像细节进行分析，使其了解日常生活中电容器在延时、储能等方面的运用。

六、各自发挥优势

教师要根据具体教学需求因“实”制宜，合理分配传统实验和数字化实验的比例，发挥各自的优势与长处，推动教学任务的顺利完成，提高学生的学习效率。这就要求高中物理教师科学地融合传统实验与数字化实验，统筹安排实验教学，达到优势互补、取长补短的效果，全力打造实效性课堂。

例如，在“气体的等温变化”教学中，教师可以先组织学生操作传统实验：一名男生和女生比赛吹气球，男生的气球塞进一只矿泉水瓶中，吹气时反扣在瓶口上，女生正常吹，最终男生无法吹破，女生则轻松吹破。然后，教师可以借势设疑：“瓶内气体压强对把气球吹大有无影响？说明什么？”引导学生研究一定质量气体在温度不变时压强与体积的定量关系。学生结合实验讨论发现，气球与瓶子之间的气体体积变小，压强增大，反之体积变大，压强减小。接着，教师布置探究任务：一定质量气体在温度不变时压强与体积的定量关系。教师要为每个小组分配一台装有DIS 系统的计算机、数据采集器、压强传感器与配套注射器，指导学生操作数字化实验，由注射器的刻度读出气体体积，通过操作鼠标由计算机读出气体压强，且自动生成p——V和p——1/V图像，从而得出压强与体积成反比关系的结论。

结 语

在高中物理教学活动中，教师既要认识到传统实验是长期的经验积累，又要积极融入数字化实验，只有做到两者的完美融合、各展所长，才能为学生带来更为真实、直观、精确、全面的实验内容，帮助他们学习好理论知识，优化整体教学成效。