数字化实验对高中物理教学的重要性

张 瑞

（石嘴山市第三中学 宁夏石嘴山 753000）

21世纪是一个信息化的时代，教育的方式也随之发生改变。比如高中课程与信息技术的整合，其表现为数字化信息系统实验室（DISLab）进入中学物理实验教学[1]。上海科技教育出版社出版的高中教材中设计了用DIS系统研究匀速直线运动、用光电门测量瞬时速度、用DIS系统验证物体间的相互作用等多个数字化实验，说明了数字化实验在高中物理教学中占据重要的位置及数字化实验对高中物理教学的重要性。

一、数字化实验简介

所谓数字化实验的器材是由传统实验器材、传感器、数字采集器、电脑、显示屏五个部分组成[2-3]。具体的设备流程图如下所示：

图1中传统实验器材是我们常用的实验器材，比如弹簧测力计、小车、弹簧等。传感器有光电门、气压传感器、力传感器等。数字采集器是数字系统与设备相连接的，比如数据线。电脑是指装有专门的软件对数据进行处理的设备。数字化实验是将图1所用的仪器设备结合起来进行实验。

图1 数字化实验结构图

数字化实验具有这样的几个特点：（1）数字化实验与高中物理教材的内容相符合。（2）数字化实验能够使得物理教学与信息技术更好的相互融合。例如以传感器为主的数字化实验系统，满足了以新课标的教学来培养学生综合信息处理的能力。（3）数字化实验的实验空间比较大，对于学生的创新能力和实验探究能力都有所提高。

二、数字化实验在教学中的应用

在教学过程中应用数字化实验的课例很多，比如牛顿第二定律、斜面上力的分解、牛顿第三定律等。我们选择牛顿第三定律这节课例进行说明数字化实验对高中物理教学的重要性。牛顿第三定律是牛顿三大定律之一，新课标对本节的要求之一是能够应用实验验证物体间的相互作用，理解牛顿第三定律，参与探究物体之间力的相互作用规律的过程。其实验原理是两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时作用在同一条直线上，大小相等，方向相反， 即F1＝－F2（N=N’）。

传统验证牛顿第三定律的实验是用两个弹簧测力计进行实验。验证牛顿第三定律实验的时候是将两个弹簧测力计置于同一条直线上。然后两个弹簧测力计对拉，读出弹簧测力计的示数。做一次实验得到一组数据，重复几次。根据实验数据整理得到实验结论。

数字化实验验证牛顿第三定律的时候，所用的器材是力的传感器一对，数据线一对，电脑一台。数字化实验验证牛顿第三定律的时候是将力的传感器用数据线连接到电脑上。然后让两个力的传感器保持在同一直线上，对拉，得到关于力与时间关系的图像。具体操作方法如下：

（1）一对力传感器使用USB线接到电脑，打开传感器侧面开关。

（2）点击桌面软件图标，启动软件，点击软件左上角“文件”选择“打开”，打开“牛顿第三定律”实验模板。

（3）将传感器置零，方法是轻轻的按一下两个力传感器上的置零键。

（4）点击“开始”按钮，两手分别握住一个力传感器，让力传感器上两个金属钩相互钩住，同时尽量保持两个力传感器处在同一条直线。

（5）两手轻拉传感器，两个力的方向相同，如图曲线的左段。实验中可长按其中一个力传感器上置零键，改变这个力的显示方向，得出如图2所示的实验图线右段。

图2 力与时间的关系

（6）在物理实验过程中，在某一时刻同时观察两个力传感器的读数，由实验可知两个力传感器读数基本相同。

（7）点击“结束”按钮，结束实验数据的采集。引导学生观察电脑记录的实验图线，可以在“曲线”按钮中自由选择“力1”“力2” 和“-力1”“-力2”的图像，观察力之间的相互关系。

（8）也可将力传感器金属钩换成平头推，观察相互挤压时的情况。

传统实验是一组一组的数据，需要分析得出结论，而数字化实验的结果直观地展现出来，如图2所示。图2力与时间的关系的图像反映了作用力与反作用力的大小相等、方向相反，验证了牛顿第三定律的成立。虽然传统实验可以验证牛顿第三定律，但是它的过程繁复，数据的精确度不高，实验结果不够直观。而数字实验恰恰解决了这些缺点。

从学情来看，应用DIS验证物体间的相互作用，给学生呈现一个动态曲线，更加生动、形象，也更加符合高中阶段的学生思维特点。

三、结束语

综上所述，本文在数字化实验在教学中应用的部分将牛顿第三定律的传统实验与数字实验相比较发现，虽然传统实验在操作上可能比数字化实验便捷，但是其实验过程的反复性强，精确度差。而数字化实验虽然操作起来比较复杂，但是其过程简洁，一般一次就可以测出成百上千组实验数据，实验数据的情况还可以通过电脑以图像的形式直观的呈现出来。在物理教学过程中，提高了教学效率，增加了物理教学的趣味性。正所谓“知之者不如好之者，好之者不如乐知者”，因此，数字化实验对高中物理教学十分重要。