高中物理基于传感器的数字化实验课堂教学研究

孙天祥　邹鹏

摘要：为了探讨基于传感器的数字化实验运用于高中物理课堂教学的时效性、可推广性，并进一步探讨在高中物理实验教学中数字化实验教学怎样与传统实验教学有机融合，笔者自2017年10月开始，在许昌高级中学高二年级选定实验班级与对照班级，将基于传感器的数字化信息技术运用于高中物理实验课堂教学中与传统实验课堂教学进行跟踪分析、对照实验，通过在不同阶段对研究对象进行的物理实验水平测试和问卷调查的方式来收集数据；对收集到的数据进行整理分析，尝试寻找切实有效的物理实验教学模式，以达到更好的将数字化实验融入课堂的目的。

关键词：数字化实验课堂教学；物理创新研究；传统实验课堂教学；有机融合

引言：随着国家多轮新课程改革的推进，高中物理实验课堂教学也逐步开始从“应试教育”向着“素质教育”发生着转变。由原来单纯的知识型教学向着加强能力、注重非智力因素培养方面发展。传统的实验在仪器、操作、教学方法上已不能完全满足教学的需要和学生自主能力的需求。以现代科技为基础的各种教学设施、教学仪器和方法也不断走进了学校教育，高中物理必须要不断创新，基于传感器的数字化实验系统（简称数字化实验系统）应运而生。基于传感器的数字化实验应用计算机、传感器等技术，实时、动态、准确地得到实验数据，提高了实验的精度，节省了实验时间，培养创新意识，为提高学生物理探究能力创造了强有力的物质条件，为物理教学提供了全新的技术手段和教学平台。

随着数字化实验课堂教学的的不断实施，相比于传统的实验课堂教学，数字化物理实验的优势也越来越明显，它能在整合了真实实验和信息技术的基础上，能够完成包括电磁学、运动学、力学、光学、原子物理及热学等数百个物理实验，即时快速、准确的处理各个实验结果，提高了传统实验课堂教学的教学效率，在结合物理实验和科学技术的基础上，优化了学生学习的手段，注重学生对物理规律的探究的方法和形成过程。虽然数字化实验拥有如体积小、易操作、强大的数据处理能力等诸多优点，但传统实验也拥有其自身优势是数字化实验无法企及的，如传统实验课堂教学在培养学生基本实验技能上有独到之处，它更加注重培养学生细致、耐心等观察习惯，重视培养学生正确选择和使用仪器的能力。传统实验还充分培养学生的计算分析能力、利用数学知识解决物理问题的能力和作图能力。同时对于传统实验，特别是一些反应物理现象、解释物理规律的生动有趣的小实验，数字化实验是不能完全取代的。因此，若在课堂教学中将数字化实验与传统实验有效融合，发挥各自教学优势、克服彼此教学弊端，高中物理实验课堂教学将迎来高速发展的时代。

1、高中物理数字化实验课堂教学与传统实验课堂教学对比研究

课题组成员在测量工具、实验操作、误差分析、教学过程几个方面对基于传感器的数字化实验与传统实验上的异同进行归纳，如下表：

通过上述表格分析我们可以看出

1.1传统物理实验能有效培养学生各方面基本实验能力。

1）规范的实验步骤、严苛的实验条件、精细的读数规则、正确的搜集处理数据，能有效帮助学生理解实验原理、构建物理概念。

2）在实验过程中注重培养学生观察能力、实验操作能力、数据处理能力、误差分析能力等，能有助于培养学生良好的科学品质如耐心的观察实验及遇到困难勇于克服的坚强品质等。

1.2、传统的物理实验不足之处

1）但是部分器材相对陈旧，一般精度不高，可测量范围小或根本没法测量（如电场强度、磁感应强度等），相对于数字化实验器材测量误差较大、效率低，使得传统实验器材有一定的局限性；

2）同时数据处理时计算过程太过冗长，学生用于探索的时间就少之可怜，往往实验课结束，部分学生的数据仍未处理完，留在课下又达不到实验教学的教学目标在探究《牛顿第二运动定律》的时候，往往学生在实验探究加速度与力、质量关系时，改变实验操作条件记录完数据后，已经接近课堂尾声，留很少的时间去给学生处理数据，更别说探究加速度与质量反比的关系，最终往往教师以讲结论来替代学生的探究发现实验结论，不利于学生自主探究能力和学生创新思维能力的培养。

1.3、基于传感器的数字化实验课堂教学较传统实验课堂教学的优势

1）数字化实验采集数据速度快、精度高、直观、高效基于传感器的数字化物理实验，快速采集、处理数据，精度高、误差小，大大缩短了学生课堂实验的时间，把学生从繁杂的人工计算中解脱出来，反而可以将时间充分留给学生进行自主探究。

2）数字化实验采集到的数据在数量、深度和广度上相对于传统实验有量和质的突破

数字化实验充分利用传感器收集各种物理数据，收集到的数据量相比传统实验提升了百倍以上，同时其数据量是可调节的，以实用性为主。数据的精度也获得大幅度的提高。同时一台计算机可以连接多个测量探头，在对比试验研究中省去了重复性实验操作步骤，方便学生同时获取多组不同情况下的实验数据，并分析对比实验结果得出实验结论，如在《法拉第电磁感应定律》中，想要探究感应电动势与线圈匝数的关系时，可以将用两个传感器分别测量面积等条件相同而不同匝数不同的两线圈產生的电动势的图像；利用数字化进行探索的过程中，培养学生发现问题、解决问题的能力，养成学生独立思考和主动探索的习惯，提升了学生对复杂问题的分析能力；数字化实验计算机自动处理数据拟合图像，并在计算机上直观显示图像（如牛顿第二运动定律中 关系、关系），有助于学生归纳总结、分析物理关系、得出结论物理规律。

3）数字化实验课堂教学便于突破教学中的重点与难点，拓展实验内容，增强学生兴趣。

以高中物理必修2——“验证机械能守恒定律”的课堂教学为例，“重力势能”、“动能”和“机械能守恒”是教学中的重点和难点，其中“重力势能”、“动能”和“机械能”都是抽象的物理概念，并且在运功中不断变化。教科书上的传统实验只能设计最简单的“类自由落体运动”，让初态“动能”为零，末态“重力势能”为零，通过简单计算来研究初末两个状态的机械能是否守恒。数字化实验却可以在满足机械能守恒条件的基础下（只有重力做功），设置各种复杂物理过程（包括抛体运动），可以实时显示研究对象在运动过程中任意时刻的“重力势能”、“动能”与“机械能”，让学生形象理解“重力势能”和“动能”在实验过程中的相互转化以及“机械能”的始终不变。

1.4、数字化实验课堂教学优点多，但缺点也不容忽视

如传感器灵敏度高却造价也高、易损坏、不易保存；实验操作时，用鼠标点击“开始记录”“停止记录”按钮即可，使得实验过程过于简化，忽略了实验的中间过程，学生根本不理解数据是怎样采集出来的，并且削弱了学生的观察能力、动手操作能力、数据处理能力等；也不利于培养学生坚忍不拔的科学态度与精神。并且对应于部分实验，数字化实验无法替代传统实验。

通过以上详细的对比分析，两者各有各的优缺点，不能一概而论。数字化物理实验比较方便、科学性较强、实验误差小，但对于学生动手能力的培养、实验分析和观察能力的培养不够，传统实验不够精确，花费时间太长，有时实验结果误差较大，不易得出相应的实验结论等等。因此，在高中物理实验教学中应该扬长避短，融合数字化实验于传统实验教学中，以达到有效提升实验教学水平的目的。

2、基于传感器的数字化实验课堂教学实施原则

2.1、充分发挥基于数字化实验系统的优势原则

相比与传统的物理实验教学，基于数字化实验系统的高中物理实验课堂教学更能调动学生学习的积极性，培养学生的创造思维能力。物理教师应当重视结合教材，从学生实际出发，创新物理教学模式，从而使数字化实验系统物理实验的优势得以充分发挥。例如在进行法拉第电磁实验教学时，由于这种实验的精确性和理论性都很强，但是传统物理实验数据的准确性和可操控性比较低，所以就需要教师充分利用数字化系统这种集成度较高的实验设备来提升实验数据的精确性，并简化实验流程，使学生能够快速完成实验。

另外，教师还可以打破传统课堂教学时间的局限性，利用数字化实验系统的强大的操作功能，创设课外实验探究，培养学生的创新能力及创新意识。这样既达到了延续物理实验课堂的目标，也真正提升了学生学习物理的实验兴趣。

2.2、教学过程体现学生主体性原则

新课程理念下的物理实验课堂教学，一定要突出学生的主体地位，以充分发展学生的各种能力为本，实验过程中，以学生自主探究为主、教师讲解分析为辅，教师作为引导者，引导学生学会发现问题、提出假设、实验验证假设、逻辑推理得出结论的科学探究的方法。同时无论是何种教学方式都应从从学生的需求出发，教学过程中要注重学生的自主探究，给予学生自已设计实验，收集实验数据，归纳并总结物理规律的机会。数字化实验教学也不例外。

2.3、多样化探究式教学原则

探究式教学的涵义就是以学生为主体，基于提出的问题和学生的经验，在学生好奇心的驱使下以问题为主导，让学生参与、体验、思考，然后针对问题寻求可能解释的形式多样的教学活动。

然而每节课的时间是宝贵而有限的，若将将探究式教学的各个环节都经历一遍也不太现实的，更不利于培养学生科学探究的精神和能力，这也违背了新课程改革的初衷。因而在课堂教学中教师应该根据物理学知识的特点和学生的实际情况恰当选取探究的要素，根据教学内容的特点来决定本节课着重进行探究式教学的哪些要素，从而确定本节课的探究的目标，针对这些目标进行“部分”探究。

2.4、教学设计最优化原则

依据教学最优化理论，优化实验课堂设计需要考虑三个方面的问题：①是要明确教学的重难点，明白如何利用实验攻克这些重难点。②是教师要考虑到实验教学对于整节课的影响。③是要重视深入研究传统物理实验教学的不足之处，并思考如何利用数字化实验来弥补这些不足，从而达到提升数字化物理实验教学质量的目标。

教学的有效性是数字化实验系统与传统实验进行优化整合的关键和根本目的。关键还在于教学的最优设计，使基于传感器的数字化课堂教学更具有效性，以发挥最优化的教学效果。尽管数字化器材有许多方便之处，但不要为了使用数字化而使用数字化器材，如果实验能利用传统的器材方便直观的处理数据、显示现象、得出结论，再去选用数字化器材就有画蛇添足之感；因此，实验方案、實验器材的选择应根据实验的特点、实验的能力要求、实验的主要目的去进行选择，实现教学设计最优化。

参考文献：

[1]于通超.高中物理电磁学数字化实验与传统实验的整合研究.湖南：湖南师范大学，2016

[2]刘娇.优化高中物理数字化演示实验的研究.吉林：东北师范大学，2015

[3]殷帅.基于数字化实验优化高中物理实验教学的分析与研究.山东：山东师范大学，2014

作者简介：

孙天祥（1964.06-），男，汉，河南许昌，本科，中学高级教师，研究方向：物理课堂教学与研究，工作单位：许昌市普通教育教学研究室，邮编：461000。

邹鹏（1979.04-），男，汉，河南许昌，本科，中学一级教师，研究方向：物理教学理论与实践，工作单位：许昌高级中学，邮编：461000。