数字实验开发要领

姚志城

(无锡市第一中学,江苏无锡 214031)

数字实验开发要领

姚志城

(无锡市第一中学,江苏无锡 214031)

数字实验利用传感器获取数据信息,通过计算机完成对实验数据的分析和处理,实现信息技术与学科教学的整合,它的出现对于提高学生科学素养、促进学生的全面发展、培养其科学探究能力、形成科学态度与科学精神起到了积极的作用,数字实验是物理教学改革的一个重要方向[1].

国内的数字实验研究起步晚,实验还不成体系,因此,开发数字实验是当务之急.笔者利用朗威DIS实验平台做了大量的研究,开发了一系列数字实验,编写了DIS实验探究的校本课程[2],在这里笔者就开发数字实验的体会与各位读者一起分享,不当之处还请指批评指正.

1 数字实验案例体系是数字实验推广的保证

数字实验的开发需要开发者能注重传统实验的研究,熟练操作数字实验软件,这样才能将传统实验向数字实验转化.此外,开发者要有动手实验的爱好和很强的耐心,笔者依据对知识要求的不同程度,将数字实验的开发分为两类:基于基础知识的实验开发和科学探究性实验开发.

1.1 基于基础知识的实验开发

图1

图2

物理理论从实际中来,到实际中去,平时教学中出现的物理情景就是很好的实验开发素材,它们有很好的理论支持,易于被察觉.因此,基于基础知识的实验开发并不太难,笔者根据“恢复系数”理论开发的“往复运动的位移与路程”实验就是一例(图1).

实验器材:声传感器、小球、米尺.

实验过程:将声传感器接入数据采集器,在图线窗口添加“声波sound-时间t”图线,让小球从距离桌面某一高度(28 cm)高处落下(图1),声传感器记录小球与桌面碰撞的声波图像(图2),从图像中找出每次小球与桌面碰撞的时刻,根据获得的数据计算小球往复运动的位移和路程.

根据声振动图像得到数据如表1.从表1看出,小球每次与桌面碰撞后在空中运动的时间与碰撞前的运动时间比是一个固定值,约为α=0.80,则相邻两次碰撞中,小球上升的高度比为β=α2=0.64,小球总的路程为h总=h0+2βh0+2β2h0+…+2βnh0(n→∞) =1.28m,小球的位移为0.28 m.

表1

1.2 科学探究性实验的开发

图3

“科学探究性实验”是针对开发者而言的,这类探究是为了发现新的现象和规律,为学生实验指明方向.开发这类实验的思维具有跳跃性,开发者可以不知道实验的理论是什么,但需要有很强的逻辑思维能力和敏锐的洞察力.因此,开发者要注重课外知识的积累,多看趣味性实验书籍,注重竞赛知识的学习,并且能翻阅大学的教材,补充自己的知识.“锯条振动的规律”实验的开发就是笔者一次大胆的尝试(图3),当完美的实验效果呈现在面前时,笔者觉得这种付出很“值”!

探究依据:锯条具有很好的韧性,它在小幅度内振动时发生的是完全弹性形变,因此振动可能是一个简单的函数表达式.

实验器材:位移传感器、铁架台、锯条、直尺、橡皮筋、木块2只.

实验步骤:用木块夹住锯条固定在铁架台上,用橡皮筋将位移传感器的发射装置绑定在锯条上(图3);在图线窗口添加“位移s-时间t”图线,让锯条振动起来,观察它的振动图线,并用合适的函数进行拟合(图4);

图4

在表格中增加变量“L”、“T0”分别表示锯条长度(锯条的固定位置到橡皮筋处的长度)和锯条的振动周期,探究振动周期与锯条长度的关系(表2);以锯条长度“L”为X轴,以振动周期“T0”为Y轴作图,并用合适的函数进行拟合(图5).

表2

图5

从实验图像可知,锯条做小幅度振动时是简谐振动,它的周期与锯条长度成正比.

2 数字实验自制教具是数字实验开发的有力补充

图6

物理学是一门实验科学,教学仪器是开展实验教学的必要物质条件,虽然各个学校都不缺教具,但是在新的课程理念下自制教具仍是必要的:(1)生活中的物理问题多种多样,不可能每个教具都能买到;(2)自制的教具最符合自己的要求,使用起来得心应手,正如李政道先生所说的“自制的教具,永远比买的好”;(3)自制教具也是新课程的需要,新课程强调培养学生的科学探究能力,使他们逐步形成科学态度与科学精神.教师自制教具能为学生树立榜样,对于增强学生的创新意识和实践能力有着不可低估的作用.

虽然数字实验的附属产品已经非常丰富,能够替代多数传统实验,但是数字实验有很多自身的特点,这就需要开发一批与这些功能相符的配套的教具.笔者为了讲解向心力的相关知识自制了“向心力突变演示仪”(图6),它体现了力传感器和光电门传感器的优越性.

实验原理:物体做圆周运动,沿着径向方向的合力提供了向心力,当物体的运动半径突然发生改变,它的瞬时速度的大小不变,但向心力和加速度会突然发生改变.

图7

实验器材:力传感器、光电门传感器、铁架台、三角刀口、200 g圆柱形钩码、游标卡尺、刻度尺.

实验步骤:按图6安装好仪器,调节光电门传感器的高度,使钩码的中心位于光电门两光孔的连线上,调节三角刀口到合适的位置,记下刀口到光电门的距离L,表示摆线碰到刀口后钩码的转动半径;将钩码拉离平衡位置,释放钩码,在摆线触碰刀口后,阻止钩码回摆,在图线窗口中获得一条“F-t”图像,从图像上找出拉力的突变值(图7),记下光电门的读数,用游标卡尺量出钩码的直径D,根据向心力公式和牛顿定律算出实际需要的拉力,比较拉力的测量值与计算值是否相符.

测量变力的值和瞬时速度的大小是传统实验的弱点,但数字实验则能轻易做到.该实验说明了向心力与合力关系,从实验效果来看,仪器误差小于3%,是可以接受的.

3 结束语

数字实验的推广是教育发展的需要,它必然代替部分传统实验,成为物理教学的重要支柱.我们要尽我们的能力,挖掘它的功能,丰富它的内涵,为数字实验注入生命力.在新的教学中,我们要借助数字实验系统让学生充分发挥自主学习的能动性,激发学生的创新灵感,带领学生逐步进入数字化的实验时代.

1 姚志城.数字实验的困境与开发.物理教学,2010(9):23

2 倪亚清,姚志城.数字化物理实验研究.南京:内蒙古人民出版社,2010.

2010-01-18)