物理实验数字化教学法与传统教学的对比研究

邹 鹏

（河南省许昌高中，河南许昌 461000）

引 言

物理实验是物理学的基础，也是物理教学的重要手段，因而必须重视物理实验教学。21世纪的教育改革提出“信息技术与课程整合”，在这种教育理念下，我们既要继承传统实验教学的优秀内容，又要结合科技发展不断升级实验教学手段。

一、问题的提出

随着社会与科技的进步，传统实验方法已经不能完全满足现阶段教育教学的需要和学生自主学习能力的需求，数字化实验应运而生。数字化实验是一种基于计算机的集教育与信息技术于一体的新型教学工具，由传感器（主要包含力、位移、温度、时间、电流、电压等多种）、数据采集器、计算机和数字化实验系统构成，数字化实验系统可以模拟多种物理场景，可以用多种形式处理实验数据[1]。

近年来各地应用数字化实验替代传统实验的呼声很高，但对两种实验方式能否被学生所接受的研究并不多。笔者对第18届126名高中学生（从高一入学到进入高三的两年内）在部分物理实验中，使用数字化实验方法和传统实验方法的情况进行了研究。

二、实验过程

实验过程是个体探究学习的过程，是从具体实物到抽象理论的过程。美国教育学家戴尔提出的“经验之塔”的学习理论（图1），将人类学习的经验按照从具体到抽象分为三大类十个层次，并用塔形图进行描述。

将该理论与两种实验方式相对照，研究学生在实验中的学习认知过程，发现传统实验注重学生的全程参与动手能力，在做的经验上效果更佳；数字化实验以其强大的图像展示功能，在观察经验上表现突出；而抽象经验指学生分析总结的过程，是由学生参与实验的程度以及个体思维能力差异等因素共同决定的。

图1

三、研究方法

本研究采用问卷调查法进行实证研究，调查表的设计重点参照了新大纲中对学生实验能力的培养要求。问卷主要调查学生对两种实验方式的兴趣、参与意愿、对实验的了解、针对实验所做的准备工作等。主要问题包括：（1）你对哪种实验方法感兴趣；（2）你倾向于选择哪种实验方法；（3）你为什么认同所选的实验方法；（4）你为实验做了哪些准备。

结合戴尔的“经验之塔”学习理论，具体调查内容包含：（1）你实际使用哪种实验方法；（2）哪种实验方法的展示效果好；（3）哪种实验方法更有助于总结抽象的物理规律；（4）你为什么选择这种实验方法；（5）请阐述你对两种实验方法的认识等。

实验前后均发放126份调查问卷，均回收有效问卷126份。

四、结果分析

1.学生兴趣与实际选择的差异

统计结果显示，首次实验时学生对数字化实验感兴趣的比率高达94%，实际使用数字化实验的学生比率只有51%，后期试验中学生对数字化实验感兴趣的比率有所下降，但使用数字化实验的比率却下降迅速。

该对比结果反映出学生接受新事物的兴趣和能力都很强，但实际使用实验方法的选择受到多种因素的影响，其中包括：已经熟悉的物理实验方法，对数字化实验系统学习并使用的兴趣与能力，出于对考试内容的思考造成的实验方法的选择等。其中学生反馈初中只接受过传统实验教学。高中教师的反馈中则显示，高中物理实验的考试内容正逐步变化，不仅越来越重视学生的能力的考察，而且考试内容开始涵盖传感器、数据处理等，但仍以传统实验方法为考察重点。所以学生大多数仍然选取了传统实验方法[2]。

2.学生对两种实验方法接受与使用的差异

调查中还显示，学生对数字化实验的方式远没有传统实验熟悉，数字化实验中传感器的使用，数据的处理方式等，学生要想熟练使用数字实验系统强大的功能需要前期的多次培训。而传统实验中各种仪器有其明确的用途，多数学生早已了解并能熟练使用。

同时传统实验注重学生动手能力的培养，而数字化实验虽然场景和效果形象生动，但缺失了实验操作过程。根据戴尔“经验之塔”的学习理论，人类学习是从具体到抽象，从直接到间接的过程 ，也就是从“做的经验”到“观察的经验”，最终到“抽象的经验”的学习过程。传统实验遵循了这个规律，而数字化实验则直接从“观察的经验”到“抽象的经验”，忽视了基础“做的经验”。这都是造成学生对两种实验方法接受并使用存在差异的原因。

3.学生对两种数据处理方法认同度都很高

传统数据处理方式集数学运算、物理分析、绘图等多种能力的训练，数字化实验数据处理则更为多样化，而且方便、快速，准确率还高。可以说，传统实验的数据处理方式锻炼了学生思维与动手的能力，数字化实验的数据处理方式则拓展了实验的宽度与广度，训练了学生的发散性思维。两种数据处理方式的优点都比较明显，调查显示学生不仅对两种数据处理方式的认同度都很高，而且希望两者融合的意愿比较强烈。

4.数据中反映的其他问题

针对本次调查研究，笔者总结选择差异的原因分为主观与客观两方面。主观原因是高中学生接受新事物的实用性与目的性更强，学生的选择都绕不开考试与成绩。因此在实验考试的内容与模式没有明显改变的前提下，学生依然选择以传统的实验方法为主。客观原因则是数字化实验中实验环境的调试、实验器材的选取与组装、实验数据的采集与分析都是由传感器和计算机完成的，学生除了前期连接传感器、数据采集器外，只需要紧盯电脑屏幕点击相应的选项即可。学生没有了亲身的体验，数据得来不再辛苦，传统实验中那种深切的体验感没有了，物理规律的记忆也就不深刻。就如同现在方便快捷的网络阅读一样，阅读的数量上去了，阅读的质量却在下降。

五、教学的建议

1.认清差异存在的原因

笔者认为学生对两种实验教学法的选择差异是不断进步的技术能力与多年不变的教育考试方式之间的不均衡发展造成的，随着教育改革的不断深入，两者之间的不断融合，差异也会逐渐消失。

2.扬长避短，促进实验能力的全面发展

传统实验着重“做的经验”，却不利于拓展学生的思维。数字化实验着重“观察的经验”，让学生获得更全面和直观的物理信息，但忽视“做的经验”也就失去了“经验之塔”中的基石。只有扬长避短，充分利用两种实验方法的优点合理规划实验过程，才能使学生获得更加深刻与全面的“抽象经验”。

3.设计新的实验方法，促进数字化实验与传统实验的有机融合

设计新的实验方法，在充分展现传统实验优势的基础上，增加探索性与设计性，多方位拓展实验，引导学生充分利用数字化实验的优点，促进数字化实验与传统实验的有机融合。

[1] 竺春阳,沈敬伟.高中物理数字化实验与传统实验的比较研究[J].物理教学,2013,35(05):19-22.

[2] 张海滨.浅议数字化物理实验背景下自感现象的研究[J].数理化学习,2015,(05):4-5.