大数据视野下物理实验教学的研究

【摘 要】随着大数据时代的到来，教育教学中对大数据的应用也变得频繁起来，特别是在物理实验教学中，大数据的影响是显而易见的，在大数据视野下如何通过物理实验激活初中生的科学思维，则是现代物理教师值得关注和深思的问题。

【关键词】大数据;物理实验;数字化实验室;科学思维

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6009（2015）26-0038-02

【作者简介】梁建，江苏省宿迁市沭阳如东实验学校（江苏沭阳，223600）教师。

2013年被称之为大数据（Big Data）元年，在这一年中，美国政府出台了大数据计划，英国建成了首个大数据开放中心，我国的电子商务蓬勃发展，政府及个人博客、网站、各种设备传感器等每天都在产生大量的数据。大数据正在悄然地改变着我们的生活，影响着我们的生活方式，加速着各行各业变革的进程。大数据也必将对中学物理实验教学产生巨大影响，改变我们传统的实验教学，运用大数据可以将物理实验教学提升到一个更高的发展水平，激发学生的创新热情，更加有利于实现物理课程标准提出的培养学生思维的要求。

一、大数据悄然改变着物理实验

大数据主要通过技术和应用改变着中学物理实验，主要表现在以下几个方面。

1.大数据要求建立的数字化信息系统实验室（DISLab）和传统物理实验室的硬件矛盾。

从上世纪90年代至今，传统的物理实验室使用的器材变化不多，强调学生的基本动手能力，这些器材测量的数据需要学生记录、整理和总结，往往占用了大量的实验时间。实验在需要重点探究的环节花的时间反而偏少，不利于学生的理解。大数据要求的数字化实验室需要相关部门投入大量的财力，引入计算机群、各类传感器、数据采集器和相关的云处理软件等，利用先进的数据处理技术比如曲线图像、柱状图等，直观地挖掘物理现象的本质。例如在“比热容”实验中，由于概念的抽象性，学生对这些数据的分析有一定的难度，需要花费大量的时间，而如果利用大数据技术，将实验室温度计换成温度传感器，利用DISLab数字化信息系统动态地将大量的温度数据和时间发送给计算机，利用计算机软件就可以将这些实验数据“秒处理”，以便于学生及时发现规律，总结结论。

2.教师演示实验有可能成为学生的自主探究实验。

部分传统的物理实验由于时间和空间的局限性，只是由教师做演示，学生往往没有参与到实验中去，缺乏浓厚的兴趣。如在“动能”演示实验教学中，教师往往采用陈述的方式，叙述不同质量的小车只要是从斜面的同一高度静止释放，到达水平面时的速度必然相同的结论。由于没有经过实验验证，学生会对这一结论存疑。利用大数据技术，只要在小车即将到达水平面前的很短的距离内（可以是几毫米），放置两个光电门，将信号传送给计算机，就可以实时显示小车到达水平面时的速度。大数据技术的应用，增强了学生学习的自信心，学生对实验产生的结论就有了更深的认识。

3.传统的物理实验获得新生。

我国传统的物理实验经过几十年的教学沉淀，已经逐渐固定为一种模式，大家都按照实验教材做，创新少。而大数据视野可以改变以往的观念，实现物理实验教学的再创造。如“声现象”的实验教学，在探究声音具有能量的实验中，教材采用录影机播放音乐，通过蜡烛火焰“跳舞”的方式来证明声音具有能量。笔者将书本的实验改为比赛：让多名学生施展“狮吼功”，震碎玻璃杯。利用DISLab数字化信息系统，将不同的学生发出的声音经过声传感器反馈给计算机，在教室的大屏幕上展示，学生能够根据波形了解不同人在不同时刻发出声音的响度和频率大小，知道什么样的声音能量最大，能够有效地震碎玻璃杯。

二、大数据对物理教师的要求

大数据时代已经来临，正在悄然地改变着整个社会，也必将彻底改变物理实验教学的现状，这对物理教师提出了更高的要求。教师应改变自我，学习大数据的相关技术，并且应用到我们的物理实验教学中，更加有效地培养学生的科学思维习惯。只有这样，教师在实验教学过程中才能够做到游刃有余，及时熟练地指导学生利用数据软件达到实验目的，培养他们的质疑能力和创新精神。

三、大数据视野下通过物理实验激活学生科学思维的策略

1.充分利用计算机交互性实验信息。

有时学生并不需要走进实验室，可以利用计算机交互性实验课件和实验视频等数据资源让学生简单地自学。在初三的第一轮复习中也可以利用这些数据资源给学生展示物理实验。比如在进行“凸透镜成像规律”的第一轮复习时，教师课前制作好凸透镜成像规律的相关课件。上课的时候，利用网络互联，将每名学生实验的数据通过平板电脑提交给服务器，在软件中实时反馈相关规律。在很短的时间内实现对整个实验的再回顾，厘清实验的科学思维过程，大大提高了复习效率。

2.实验实录、制作微课。

每一次的物理实验都是很好的教学素材，可利用摄像头数据采集系统对学生的实验过程、实验数据进行录制。如在“流体压强与流速”一节的实验教学中，在纯净水水桶口安装两个力传感器，两个力传感器之间放一个小纸团，教师安排实验小组代表依次往纸团吹气，结果发现纸团不仅没有被吹入桶内，反而从桶口射出，而且越是用力，效果越明显。此时学生的质疑精神被激发出来：为什么纸团反而射出了？再经过老师的引导，利用软件分析后知道原来是前后纸团两个表面存在压强差，纸团被吹的那一面流速大气压小。教师将整个实验过程、实验数据录制下来，存储到学校服务器，供学生利用互联网随时观看和学习。

3.建立历年物理实验中考真题网络数据库。

统一将历年物理中考真题分类汇编，配有相关答案，利用Web2.0技术制作交互网页，学生能够利用网络在线答题，及时反馈错误。利用大数据技术，能够研究学生多次大量答题错误的数据记录，分析中考易错知识点，找出实验教学难点，有针对性地对相关知识点再巩固，对个别学困生再关注。

4.DISLab数字化实验室。

（1）利用数字化实验设备提高实验效率。

DISLab数字化实验设备正在走入各个学校，充分利用大数据的优势弥补传统实验的缺陷。在笔者的实验教学过程中，一直存在着将测量定值电阻阻值的实验和测量小灯泡电阻以及电功率的实验统一起来的想法。但是由于传统实验的时间限制，都是将这两个实验分在两节实验课，由于有一定的时间跨度，教学效果降低了，就要再花更多的时间强调该知识点，给学生的学习造成了一定的困难。而利用数字化实验设备，则可以将定值电阻和小灯泡电阻以及小灯泡电功率的测量，利用一节实验课全部完成。具体做法是利用霍尔传感器测电压、电流和电功率，将实验数据反馈给数据库保存，利用软件分析定值电阻和小灯泡阻值的不同点，根据不同电压下的电功率，学生利用软件图像，就可以直观地知道如下结论：灯泡阻值和温度有关，电功率变大，造成灯丝温度升高，电阻变大。

（2）利用数字化实验促进思维方式的变革。

传统的实验需要学生处理大量的数据，耗时费力，由于学生学习能力参差不齐，绘图会有一定的偏差，造成对实验结论的错误认识。学生循规蹈矩，按照实验步骤亦步亦趋，不敢做稍微的变更，这些都束缚了学生科学思维的培养。数字化实验要求教师创造性地开展物理实验教学，这就必然会对学生起到引领示范作用，有助于激活学生的创新能力和科学思维。

大数据时代已经到来，这对于物理实验教学的开展既是机遇也是挑战。大数据在物理实验教学中的应用，是实验教学发展的必然趋势，是改变以往培养学生科学思维方式的有效途径。通过大数据的技术和应用，学生能完成传统实验想做而又无法做的实验，克服畏难情绪，充分发挥想象力，创新设计实验，提高科学思维能力。相信随着大数据的迅猛发展，大数据在未来的物理实验教学中必将大放异彩。

【参考文献】

[1]张国杰.大数据视角下图书馆服务发展走向及策略研究[J].图书馆工作与研究，2014（06）.

[2]魏雪峰，杨俊锋.同步网络课堂的理念、应用及未来发展[J].中国电化教育，2014（09）.