基于探究性学习的高中物理数字化实验教学案例设计研究

【摘要】本文基于探究性学习理念，探讨高中物理数字化实验教学案例的设计与研究.通过引入数字化实验设备，设计针对平抛运动实验的基础和进阶任务，旨在帮助学生通过实践探究，深入理解平抛运动的物理规律.本文详细阐述实验过程中教师的指导角色，并强调利用数据分析软件处理实验数据的重要性.通过本案例的设计与实施，学生不仅能掌握数字化实验技能，还能加深对物理定律、数据和公式的理解，为高中物理实验教学提供新的思路和方法，对培养学生的科学探究能力和实践能力具有重要意义.

【关键词】探究性学习；高中物理；实验教学

随着信息技术的快速发展，数字化实验教学逐渐成为高中物理教学的重要组成部分.数字化实验设备以其高精度、高效率的特点，为学生提供了更直观、更真实的实验体验.同时，探究性学习作为一种注重学生主体性和实践能力的教学模式，与数字化实验教学相结合，能够更好地培养学生的科学探究能力和创新精神.本文基于探究性学习理念，以高中物理平抛运动实验为例，探讨数字化实验教学案例的设计与研究，旨在帮助学生深入理解物理规律，提升实验技能和科学探究能力.

1 探究性学习的内容

探究性学习强调学生的主动参与和实践，鼓励学生通过自主观察、提问、假设、实验验证、分析数据、得出结论等一系列科学探究过程，来深入理解物理知识和原理.它打破了传统的单向传授模式，注重培养学生的批判性思维、创新能力和问题解决能力.在物理数字化实验教学中，探究性学习意味着学生可以利用先进的数字化工具和软件，设计并实施实验，从而更直观地感受物理现象，深入理解物理规律，提升学习效果和兴趣.

2 基于探究性学习的高中物理数字化实验教学案例设计难点

2.1 实验设计的复杂性

在高中物理数字化实验设计中，教师不仅要考虑如何将物理知识点巧妙地融入实验过程中，更要确保这些实验能够激发学生的兴趣，引导学生主动思考、深入探索.实验设计在细节上必须精准，从实验目标、步骤到数据收集和分析，都需要教师精心设计，以便学生能够循序渐进地理解物理概念和原理.

同时，教师还需兼顾实验的可行性和安全性.数字化实验涉及各种设备和软件，教师需要确保这些设备安全可靠，且实验步骤在学生的操作范围内可行.此外，教师还需考虑如何避免实验过程中可能出现的风险，确保学生的安全.对教师的专业素养和创新能力提出了较高要求，需要教师具备足够的物理知识和丰富的实践经验.

2.2 技术整合的挑战性

在高中物理数字化实验设计中，教师需要掌握并灵活运用传感器、数据采集软件、虚拟仿真平台等关键技术工具，以帮助学生直观地观察和记录实验数据，进而深入理解物理现象和规律.然而，这些技术工具的引入和应用需要教师具备相应的技术能力，才能确保这些技术能够顺利地融入实验教学之中.此外，随着科技的快速发展，新的技术工具和平台不断涌现，教师需要不断学习新知识、掌握新技能，以保持与时代发展的同步.同时，教师还需关注技术的稳定性和安全性，确保在实验教学中使用的技术工具能够稳定运行，避免给学生带来不必要的困扰和风险，教师在设计数字化实验时，不仅要考虑知识点的教学，还要充分考虑技术整合的可行性和实效性.

2.3 学生个体的差异性

在高中物理数字化实验教学中，学生的学习能力、兴趣爱好以及动手实践能力参差不齐，直接影响了学生对物理知识的理解和实验操作的成效.为了确保每个学生都能在实验过程中得到收获，教师需要细致分析学生的个体差异，并据此设计具有不同难度和层次的实验任务.结合高中物理的知识点，如力学、电磁学、光学等，设计从基础到进阶的实验项目.对于基础较弱的学生，可以提供更为直观和简单的实验任务，帮助学生巩固基础知识；对于学习能力较强的学生，则可以设置更具挑战性的实验，激发学生的探索欲望和创新精神.这样的设计不仅满足了学生的个性化需求，也确保了实验教学的针对性和有效性.

3 基于探究性学习的高中物理数字化实验教学案例设计方法

3.1 明确解题导向的实验目标

例如 以人教版高中物理“平抛运动”知识点为例，数字化实验教学案例旨在通过先进的数字化实验手段，使学生更深入地理解和掌握平抛运动的基本规律.

实验目标 （1）掌握平抛运动的基本规律：通过数字化实验，学生将能够直观观察平抛运动的运动轨迹，并通过数据记录和分析，掌握平抛运动在水平方向和竖直方向上的匀速直线运动和自由落体运动的特性.

（2）理解运动特性：学生将学会运用平抛运动的公式（如水平位移公式x=v0t，竖直位移公式y=12gt2，其中v0是初速度的水平分量，g是重力加速度，t是运动时间），并理解这些公式如何描述平抛运动的特性.

（3）解决实际问题：学生能够利用所学平抛运动规律，解决一些与平抛运动相关的实际问题，如计算足球的飞行轨迹、分析炮弹的落点等.

实验设备 采用光电门、位移传感器、数据采集器等数字化实验设备，用于准确测量和记录小球在平抛运动过程中的位移、时间等数据.

实验步骤 （1）设置实验装置，确保小球以一定的初速度在水平方向上被抛出，同时光电门和位移传感器准备好记录数据.

（2）释放小球，开始实验，数据采集器自动记录小球在水平方向和竖直方向上的位移和时间数据.

（3）实验结束后，将数据导入计算机，利用数据分析软件对数据进行处理和分析，绘制出小球的平抛运动轨迹图.

（4）通过比较和分析实验数据，理解平抛运动在水平方向上是匀速直线运动（位移与时间成正比），在竖直方向上是自由落体运动（位移与时间平方成正比）.

（5）利用实验数据验证平抛运动的公式，并尝试通过改变小球的初速度或释放高度，探究平抛运动轨迹的变化规律.

教师还可以引导学生利用所学平抛运动规律，解决一些与平抛运动相关的实际问题.例如，给定足球的初速度和飞行时间，计算足球的飞行轨迹和落点；或者分析炮弹在发射后的飞行轨迹和落点.学生通过实际问题的解决，能够巩固对平抛运动规律的理解，提高应用物理知识解决实际问题的能力.

3.2 设置问题驱动的实验情境

教师可以基于“牛顿第二定律”知识点，设计问题驱动的实验情境：“假设你是一名赛车设计师，正在设计一款新型赛车.你需要通过调整赛车的质量和引擎的动力输出来优化赛车的加速性能，你会如何利用牛顿第二定律来指导你的设计，以确保赛车在赛道上能够快速而稳定地加速？”

通过这个问题，教师可以引导学生思考牛顿第二定律（F=ma，其中F是力，m是质量，a是加速度）在赛车设计中的应用，并激发学生进行实验探究的兴趣.

实验目标 （1）通过数字化实验手段，让学生深入理解牛顿第二定律，并掌握其在实际问题中的应用.

（2）培养学生利用牛顿第二定律分析、设计和解决问题的能力.

实验准备 （1）准备一套数字化实验设备，包括力传感器、位移传感器、数据采集器和计算机等.

（2）准备不同质量的模型赛车（可以使用小车代替）和可调节功率的电动马达（模拟引擎）.

实验步骤 （1）将力传感器和位移传感器分别安装在模型赛车上，用于测量赛车受到的力和位移.

（2）将电动马达与赛车连接，并通过数据采集器记录赛车在不同功率下的加速度数据.

（3）保持赛车质量不变，逐渐增大电动马达的功率，观察并记录赛车加速度的变化.

（4）保持电动马达功率不变，更换不同质量的赛车，观察并记录赛车加速度的变化.

数据分析 （1）利用数据采集器收集的数据，绘制赛车加速度与电动马达功率的关系图，以及赛车加速度与赛车质量的关系图.

（2）分析数据图，引导学生发现加速度与力和质量之间的关系，即牛顿第二定律的表达式F=ma.

教师可以引导学生利用牛顿第二定律分析赛车加速性能的优化方法.例如，当需要提高赛车的加速度时，可以通过增大引擎的动力输出（即增大力F）或减小赛车的质量（即减小质量m）来实现.学生可以根据实验结果和数据分析，提出优化赛车设计的方案，并讨论其可行性和效果.通过这一数字化实验教学案例的设计，学生将能够更深入地理解牛顿第二定律的原理和应用，掌握利用数字化实验手段进行物理探究的方法，这种情境化的教学方式也能够激发学生的学习兴趣和积极性，提升实验教学的效果.

3.3 设计层次化的实验任务

实验任务设计旨在通过数字化实验手段，让学生全面理解平抛运动的规律，可以分为基础任务和进阶任务两个层次.

在基础任务中，学生需使用光电门、位移传感器等数字化设备，精确测量平抛运动小球的水平位移和竖直位移.通过测量数据，结合物理公式，如水平位移x=v0t和竖直位移y=12gt2，学生可计算出平抛运动的初速度v0和重力加速度g.既巩固了人教版高中物理中关于平抛运动的R1X2xCJyoHQL6T/NDIdsJw==基本概念，还提升了学生的数据处理能力.

在进阶任务中，学生需调整小球释放的高度和角度，探究这些因素如何影响平抛运动的射程和射高.在这一过程中，学生将运用数学知识，如三角函数和二次方程，推导出射程x′=v0cosθt和射高y′=v0sinθt－12gt2的公式.既锻炼了学生的数学应用能力，还加深了对平抛运动物理规律的理解，使学生能够在实践中深化对理论知识的理解与应用.

3.4 提供数字化解题策略指导

在实验过程中，教师应注重数字化解题策略的指导，确保学生能够充分利用数字化实验设备进行深入的分析和计算.

如教师可以指导学生如何正确设置光电门的采样频率，以确保能够准确捕获小球在平抛运动中的位移变化.同时，教师还可以引导学生如何借助位移传感器精确测量小球的运动轨迹，为后续的数据分析提供可靠的数据支持.

再使用数据分析软件，教授学生如何导入实验数据、绘制图表、拟合曲线等技巧.通过这些软件工具，学生可以更直观地观察数据规律，发现平抛运动中的物理规律，如初速度、加速度、射程和射高等参数之间的关系.

此外，教师还可以引导学生深入理解数据背后的物理意义，帮助学生运用人教版高中物理中的定律、数据和公式进行分析和计算.例如，通过实际测量和计算，学生可以验证平抛运动的水平位移公式x=v0t和竖直位移公式y=12gt2，并进一步推导出射程和射高的公式，既加深了学生对物理知识的理解，还提升了学生的数据分析和解决问题的能力.

4 结语

总之，通过设计基于探究性学习的高中物理数字化实验教学案例，成功地将数字化实验与探究性学习相结合，为高中物理实验教学提供了新的思路和方法.实验过程中，学生通过实践探究，不仅掌握了数字化实验技能，还加深了对物理定律、数据和公式的理解.教师的有效指导和学生的主体性发挥相得益彰，使得高中物理实验教学效果显著.

参考文献：

［1］吴定才.高中物理实验教学有关探究性学习研究［J］.中文科技期刊数据库（引文版）教育科学，2017（08）：00072.

［2］李建华.高中物理实验教学中的探究性学习［J］.理科考试研究（高中版），2013，20（10）：59.

［3］彭靖.论探究性学习模式在高中物理教学中的应用分析［J］.中文科技期刊数据库（全文版）教育科学，2021（01）：2.

［4］刘雪梅.探究性学习模式在高中物理教学中的应用分析［J］.数理化学习（教育理论），2017（08）：25-26.