人教版高中物理教材中的实验分类及其数字化改进

郑康

当前，新一轮课程改革正在积极推进。教师应改进课堂教学方式，融合信息技术开展学科教学。笔者梳理人教版新教材中的实验内容，将其分为演示实验、探究性实验、验证或测量性实验和拓展性实验四类，针对传统实验的不足，提出利用数字化实验系统（DIS）进行相应的改进：改进演示实验，展示动态物理过程；优化探究性实验，发挥图像处理功能；完善验证性和测量性实验，提高实验精度；开展拓展性实验，实施微课题研究。以此，不断增强学生实验探究能力，提升学生物理核心素养，促进学生全面发展。

一、与时俱进利用信息技术改进物理实验是课标要求

物理学是一门以实验为基础的自然科学，实验是物理教学的重要环节，也是培养学生物理核心素养的重要途径。《新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》要求教师“积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式等课堂教学方式；注重引导学生开展研究型、项目化、合作式等跨学科综合性学习；认真开展好演示实验和学生分组实验，培养学生科学探究能力”。

当今社会信息技术飞速发展。DIS等信息技术的应用正在改变教师的教学手段和学生的学习方式。数字媒体已成为物理教学特别是物理实验教学的重要课程资源。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出应“积极推进信息技术在教学中的应用，促进信息技术与学科课程的整合；充分发挥信息技术的优势，为学生的多样化学习和发展提供丰富的手段”。如何有效利用信息技术促进物理教学方式的变革，是物理教师应积极研究的重要课题。在信息技术日益集成化、系统化的今天，教师基于教材开展DIS实验是促进物理教学数字化的有效途径。

二、人教版新教材中实验梳理与数字化改进

（一）改进演示实验，展示动态物理过程，深化物理观念

演示实验多是教师操作的示范性实验。教师演示物理现象，引导学生观察思考，以讲授或讨论等方式，帮助学生建立物理概念和认识物理规律，为学生开展实验提供参考。以人教版高中物理教材中的正文部分为研究对象，笔者梳理发现教材中共有40组演示实验，其中可用DIS改进或开展的演示实验共有12组（见表1）。

学生理解实验现象需要观察和思考，但许多物理现象是瞬间发生或不够明显的。教师用传统的实验器材和方法教学，学生难以捕捉和记录相关的物理过程。例如，对于牛顿第三定律的研究，传统的实验方案是用两只相同的弹簧测力计沿相反方向拉动，并同时增大或减小拉力，观察两只弹簧测力计的示数情况。按传统方法操作，学生可以观察到两只弹簧测力计的示数是同时增大或者同时减小的，但是要更具体地研究两者的大小关系，用肉眼是难以观测的。笔者利用DIS开展数字化实验，完美破解上述难题。系统自动采集并记录数据（如图1），同时将数据传送给计算机并实时转化为图像（如图2），这样实现了实验过程的自动记录和实验现象的动态可视化。

对于一些演示实验，如果实验现象不够明显、直观，教师可以充分利用DIS传感器替代肉眼观测，利用计算机软件记录数据，并将动态的物理过程转换为“物理量—时间”图像直观地呈现出来，从而实现物理现象的可视化。

（二）优化探究性实验，利用图像处理功能，提升科学思维

探究性实验主要指在教师指导下，学生经历“提出问题—猜想假设—设计实验—实施实验与搜集数据—分析论证—评估—交流”的探究过程，并且运用归纳概括、分析综合等思维方法来建立物理概念和探求物理规律，同时感悟科学思想和科学精神、培养交流与合作能力。以人教版高中物理教材中的正文部分为研究对象，笔者梳理发现教材中共有27组探究实验，其中可用DIS改进或开展的探究实验共有14组（见表2）。

搜集数据和分析数据是探究性实验的重要环节。实验结论必须以数据分析作为依据。然而，对于一些常见的探究性实验，实验数据和作图都需要学生处理，这虽然可以提升学生的计算和作图能力，但耗时太长，会严重影响对后续结果的进一步分析和运算。例如，学生用传统实验装置（包括柱塞、压力表等器件）探究气体压强与体积关系，每操作一次都要同时读出体积和压强的数值，还要进行估读。在多次操作后，学生还要根据得到的多组数据作图像和1/图像，这会严重挤占课堂时间。笔者开展数字化实验教学（如图3），有效克服了以上弊端。DIS自带数据表格功能，且有设置变量和编辑公式功能，它能够及时处理数据，生成结果。同时，DIS根据实验数据描点作图（如图4和图5），对函数进行拟合，如一次函数、正比例函数、反比例函数、二次函数等，大大提高了实验效率。

对于一些探究性实验，如果数据记录和作图较为烦琐，教师可以让学生充分利用DIS中“计算表格”功能来记录数据，并根据数据进行智能化描点作图，系统会根据作好的图像利用函数拟合功能进行自动拟合。这样可以节省课堂时间，让学生有充足的时间针对实验数据和图像进行探讨，从而不断提升科学思维，发展科学推理和科学论证能力。

（三）完善验证性和测量性实验，提高实验精度，增强科学探究能力

验证性实验主要是让学生参与实验，验证由已知物理理论推导出新结论的正确性，从而加深对物理知识的理解，同时培养学生的分析和推理能力，提高实验技能。测量性实验主要是让学生应用所学物理知识，运用仪器来测定某个物理量或物理常量。它可以帮助学生理解物理量概念和物理量的意义，学会运用物理规律，掌握基本的实验方法。以人教版高中物理教材中的正文部分为研究对象，笔者梳理发现教材中共有11组验证和测量性实验，其中可用DIS加以数字化改进或开展的实验共有9组（见表3）。

在当前高中物理课堂中，学生主要是使用传统的实验设备进行实验，如刻度尺、秒表、托盘天平、钩码、弹簧测力计等。这存在一定的弊端：一方面，传统设备精度相对较低，并且在长期使用中容易损耗，往往导致较大的系统误差；另一方面，实验数据一般是人工测量读取，数据图像由手工绘制而成，这会造成一定的偶然误差。因此，最终得到的实验结果可能偏差很大，这必然会阻碍学生对物理规律的深入理解，影响教学效果。例如，在教学验证力的合成与分解遵循平行四边形定则时，传统的实验方案是使用弹簧测力计、细绳、橡皮条等器材来操作。具体方法是分别用一只弹簧测力计和两只弹簧测力计拉动橡皮条使其伸长至同一点，进而用力的图示法作出分力和合力，并将实际值与理论值进行比较。此实验方案中，由于测量、读数、作图均存在一定的偶然誤差，导致实际值与理论值有一定偏差。在DIS实验系统中（如图6），力传感器灵敏度高，测量精准，能够有效减少因人为因素产生的偶然误差，从而提高实验精度。

对于一些验证性或测量性实验，如果传统实验仪器测量精度不高或偶然误差较大，师生可以充分利用DIS传感器灵敏度高、测量精确等特点，依靠相关传感器采集数据，并借助专用的实验软件将实验数据智能转化为图像，避免人为因素导致的实验误差，从而提高实验精度，使实验结果更有说服力。

（四）开展拓展性实验，实施微课题研究，增强创新思维和实践能力

拓展性实验是相对于教材（正文）实验而言的，它的选材主要来源于书本中的课后阅读材料或生产生活实际，是物理课堂的延伸和发展。拓展性实验以微课题研究为主要形式，突破了时间和空间的限制，有利于学生利用理论知识解决生活中的实际问题，因此能够有效激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维和实践能力。学生基于高中物理所学内容，可以参与以下拓展性实验（见表4）。

由于受到传统实验仪器和装置的限制，很多实验处于“想做而做不出、能做但做不好”的困境。在DIS引入物理课堂后，物理实验的内容得到了极大扩展。例如，用DIS温度传感器配合其他器材，可以较为精确地研究一些热现象，如电流热效应、红外线热效应、摩擦力做功等；利用DIS中的电流、电压和微电流传感器，可以有效克服电学量采集和记录方面的困难，直观呈现电容器充放电、自感现象等“暂态现象”。尤其是微电流传感器，不仅能验证有微弱磁场存在，而且能支持许多拓展性实验，如研究热电偶中的电流、人体导电时的电流、玻璃导电等。

拓展性实验作为一种学生实验，是课堂实验教学的重要补充。在学生学习教材内容后，教师可以鼓励学生利用丰富的传感器开展微课题研究，将理论知识与生产生活实际结合起来，以此开阔学生的视野。同时，教师可以设置DIS实验系列校本课程，研究的内容可以适当地体现学科融合，如制作水果电池并测量其电动势和内阻、探究不同pH对水果电池电动势及其内阻的影响等，以此启发学生从生活中发现问题和解决问题，培养学生的创新思维和实践能力。

三、反思与建议

总的来说，相较于传统实验，DIS实验具有诸多优势 ：如呈现数据直观、形象，可视化程度高；处理数据图像便捷、高效；采集数据精确度高、避免人为测量产生的偶然误差；采集功能强大，可支持众多拓展性实验。教师应用DIS可极大提高实验效率和教学效果，但DIS也有一定的局限性。在教学中，教师应做到以下三点。

第一，寻求DIS实验与传统实验最佳结合点。传统实验作为培养学生基本实验能力和实验素养的载体，也是教学中不能忽略的环节。教师应合理利用DIS系统，将其作为传统实验的重要补充和优化手段，寻求两者的最佳结合点。

第二，深度挖掘DIS的拓展功能。教师要充分发挥DIS实验高效率、高精度、多途径的优势，用其开展研究性学习、跨学科学习、微课题研究等活动，引导学生将理论知识应用于实践，发现和解决生活中的实际问题。

第三，激发更多的创新要素。教师要利用DIS多样化功能，充分调动学生的主观能动性，让学生在物理学习中不断体验、发现和感悟，引导学生逐渐从被动接受转向主动探究、从建构知识转向能力提升，从而激发更多创新要素，使学生创新思维能力得到有效发展。

参考文献

[1] 夏良英，李永洪，张喜林.DIS实验和传统物理实验在教学实践中的对比研究[J].物理教师，2014（4）：42-45.

[2] 沈炜.DIS实验在初中物理课堂教学中的实践与思考[J].物理教学，2016（7）：39-42.

[3] 徐锐.DIS数字实验系统在物理教学中的作用[J].现代教育技术，2008（6）：46-49.

（作者系江蘇省常州市戚墅堰高级中学高级教师）

责任编辑：祝元志