数字化实验系统在物理实验教学中的运用

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新课标的实施，强调知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观，加强了对学生的实践动手能力的培养．物理学是一门以实验为基础的学科，物理实验在物理教学乃至整个科学教育中都占有重要的地位．通过实验探究，引出新概念、新理论，通过实验探究，探索物理规律．新一轮的物理课程改革为实验教学提供了一片沃土，同时也对物理实验教学提出了更高的要求．

数字化实验系统是一种用于实时采集数据的智能化系统，它主要由传感器、数据采集器、计算机及配套软件构成．与传统的物理实验仪器相比，数字化实验系统能将各种物理信号动态呈现在电脑上，便于学生对动态变化的物理过程的分析理解，且能采集瞬态过程的信号，便于对瞬态过程的把握．能自动而快速地处理数据，使探究过程简化．将数字化实验系统应用于物理实验教学中，是对传统物理实验仪器的重要补充．运用数字化实验系统改进传统物理实验，也是现代信息技术和学科教学整合的有益尝试．

1　利用数字化实验系统进行物理演示实验教学

在物理课堂教学中，用演示实验演示物理现象对学生认识问题、理解知识起到了非常大的作用．但是很多传统物理演示实验存在着不足，一些物理信号如：声音信号、电磁信号是无法看到的，这样，学生很难在头脑中形成清新的物理图景．而数字化实验系统能在计算机上呈现出各种信号，便于学生的理解．

在“乐音的三个特征”一节中，学生对音调、响度、音色的理解是教学重点也是难点．利用数字化实验系统，可以同时结合从人耳的感觉、从声源振动情况以及声音的图象三方面对比讲解(如表1)，表1中声音的图象可以用数字化实验系统的声传感器采集．通过图表的对比，便于学生对乐音三个特征的理解，同时可在头脑中形成清晰的声音的图景．

许多电磁信号也是看不见、摸不着的，数字化实验系统可将这些抽象信号直观地呈现出来．如传统的自感现象演示实验，通过两个灯泡亮度的对比，用两个不同的电路，分别演示通电自感和断电自感，但由于自感现象时间短，现象不明显．而且用两个电路分别演示，容易让学生产生误解，即演示通电自感的电路没有断电自感现象、演示断电自感的电路没有通电自感现象．利用数字化实验系统，可以在同一个电路中，采集通电和断电过程中的电流或电压，很容易演示自感现象．

如图1电路中，用数字化实验系统的两个电流传感器分别与线圈和电阻串联，在S闭合又断开的极短时间内，电流传感器记录了两支路电流的变化情况(如图2)，通过电流变化，学生很容易观察到通电自感和断电自感．不仅解决了传统实验现象不明显的不足，同时，只用一个电路，同时演示通电与断电自感．将两个电压传感器并联在线圈和电阻R1两端，也能在一个电路中演示通电自感和断电自感．

2　利用数字化实验系统进行物理课堂探究性实验教学

探究性实验教学作为现代教学的一种模式，是使学生通过类似于科学家的探究过程来获取知识、培养科学探究能力的一种教学方法，它具有诸多传统实验教学所不具备的特征．由于数字化实验系统能快速呈现物理过程，以及强大的数据处理功能，使得物理课堂实验教学可以实现实验探究．

电容器是非常重要的电学元件，然而在实际教学中，教师对这部分知识的介绍多以理论为主，对电容器的实际工作过程介绍得很少．电容器的冲、放电过程很抽象，学生难于理解．有关电容器电容的测定方法，中学物理教材中也未介绍过，而新的《普通高中物理课程标准》要求物理教学应密切联系实际，提倡教师积极组织各类实验，使学生进行探究性学习．

利用数字化实验系统的电压传感器和电流传感器，可以演示电容器充放电过程中电路中电流以及电容器两端电压变化，而且教师可以带领学生在课堂上进行探究：测量电容器的电容．图3中将电压传感器并联在高电阻R两端，单刀双掷开关先置于1，给电容器充电，再打到2，电容器放电．电压传感器记录了电阻R两端电压随时间变化的图象(如图4)．由于数字化实验系统具有积分功能，可快速计算出电压随时间变化的图象的积分值，除以放电电阻即为电容器极板所带电量，带入电容器的定义式就可求出电容器的电容值．

完成这个实验后，教师还可继续引申，带领学生探究电容器的串并联，以及电容器在充放电暂态过程的影响因素等探究性实验题材．

科学探究既是一种教学模式，也是一种创造性的活动．它以探究科学规律为出发点，以学生的探究活动为中心，以培养学生的探究能力为目标，从而提高学生的科学素养、实现学生的全面发展．运用数字化实验系统改进传统物理实验教学，可以实现课堂实验探究教学．

3　利用数字化实验系统进行课外科学探究

随着中学物理教学研究的不断深入和发展，探究性实验的作用越来越为人们所认识．探究性实验作为一种近年来崭露头角的新型实验，在激发学生学习兴趣、训练动手操作能力，特别是在培养学生创造性思维能力方面发挥着很好的作用，它是学生理解科学探究的重要途径．

由于教材中探究性实验题材少，限制了学生课外科学探究活动．利用数字化实验系统，可以开发很多探究性实验题材．笔者在几年的研究中，利用数字化实验系统开发出了十几个物理课外探究性实验题材，如“探究通电螺线管内部磁场的影响因素”、“探究线圈自感系数的影响因素”、“探究柳笛发音频率的影响因素”、“探究电容器充放电暂态过程”、“电介质极化对电容的影响”等．

4　结束语

当今的基础教育改革，不仅仅是对教学内容的改革，更重要的是体现在对教学方法、学生的学习方式的变革．物理课程是一门基础性的学科，也是一门具有哲理性学科．其科学探究的实验方法，对培养具有科学探究能力的人才，具有十分明显的优势．将数字化实验系统应用与物理实验教学，可弥补传统实验的不足，将数字化实验系统应用于物理探究过程中，能激发学生的学习兴趣、培养敢于思考、乐于合作、勇于实践的态度．