江瑩

物理學(xué)科是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗教學(xué)作為物理學(xué)習(xí)的重要組成部分，在教學(xué)活動中發(fā)揮著重要的意義與作用。長期以來，傳統(tǒng)的實驗方式在教學(xué)中居于主導(dǎo)地位，教師演示實驗、學(xué)生分組實驗的形式較為常見，然而這種實驗教學(xué)模式容易導(dǎo)致實驗教學(xué)耗時長、程序固化，難以提高學(xué)生的主動性與創(chuàng)造力，與新課程改革下的教育理念相悖。隨著社會的進步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，教育資源在不斷更新中實現(xiàn)突破，教育觀念在創(chuàng)新中迎來了新發(fā)展，其中物理實驗的重要性得到更大的肯定，高中物理課程標(biāo)準更是提出“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗室，加快中學(xué)物理實驗軟件的開發(fā)和應(yīng)用”。由此可見，科學(xué)技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用是大勢所趨，其中以傳感器為主的數(shù)字化實驗（DIS）最早在上海市的學(xué)校應(yīng)用推廣，取得了比較理想的教育成果。作為物理學(xué)科的教學(xué)者，應(yīng)當(dāng)緊跟時代的腳步，應(yīng)用新技術(shù)，深入認識和理解DIS資源，挖掘DIS資源應(yīng)用的優(yōu)勢，并遵循合理的原則，踐行科學(xué)的路徑，使其更好地在教學(xué)實踐中得以推廣，讓高中物理實驗教學(xué)綻放新光彩。

一、DIS實驗在高中物理教學(xué)中應(yīng)用的意義與作用

（一）能夠有效提高物理實驗數(shù)據(jù)采集效率

在傳統(tǒng)的高中物理實驗教學(xué)中，實驗過程耗時長，諸多人為因素的干擾容易導(dǎo)致教學(xué)效率低、效果不理想，同時在實驗中對大量的數(shù)據(jù)進行分析與研究也存在一定的困難。導(dǎo)致物理實驗對不少學(xué)生而言存在著“形式大于意義”的問題，難以推動學(xué)生的思維活動向更深處拓展。針對這一問題，DIS實驗的應(yīng)用與推廣就顯得尤為重要，教師可以在實驗教室中通過計算機和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件建立數(shù)字實驗室，從而提高實驗室內(nèi)數(shù)據(jù)收集和計算的效率。DIS實驗在很大程度上排除了人為因素的干擾，通過傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集，也可以對實驗中的大量數(shù)據(jù)進行高效率分析與研究，學(xué)生能夠從智能化的信息分析系統(tǒng)入手進行觀察，在一定程度上打破學(xué)生的僵化思維，實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的切實性提升。

（二）有利于保證實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果的準確性

高中物理實驗教學(xué)的質(zhì)量在一定程度上也是由實驗器材所決定的，然而部分實驗設(shè)備容易在長期使用過程中出現(xiàn)損耗，對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。以“力學(xué)實驗”為例，其中彈簧秤、刻度尺等屬于易消耗的實驗器材，很有可能因為長期使用而影響實驗結(jié)果，既無法為學(xué)生呈現(xiàn)一個較為“完美”的實驗結(jié)果，還可能使學(xué)生的理解與思考產(chǎn)生誤區(qū)。而DIS實驗則更多依靠傳感器采集實驗數(shù)據(jù)，其應(yīng)用與推廣可以在一定程度上改變這一現(xiàn)狀，保證了實驗結(jié)果的準確性。

（三）提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，促進學(xué)習(xí)能力持續(xù)發(fā)展

在傳統(tǒng)的高中物理實驗教學(xué)中，教師要時刻關(guān)注學(xué)生的注意力情況，并引導(dǎo)學(xué)生進行深入思考與學(xué)習(xí)，而DIS實驗的應(yīng)用正好順應(yīng)了這一教學(xué)要求。首先，DIS實驗與傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ较啾染哂姓鎸嵭耘c生動性的特點，這些特點在很大程度上滿足了學(xué)生的好奇心，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有利于學(xué)生集中注意力，提高課堂學(xué)習(xí)效率。比如，在教師進行“作用力與反作用力”相關(guān)的演示實驗時，學(xué)生可以清晰地通過多媒體設(shè)備感受到其大小、方向的特點，在形成深入理解的同時，更渴望深層探究，從而實現(xiàn)從“被動接受”到“主動探索”的思維轉(zhuǎn)變。另外，DIS實驗?zāi)軌蛉轿?、多角度分析與處理問題，幫助學(xué)生擺脫思維桎梏，真正將所學(xué)知識內(nèi)化于心，能夠針對不同問題的要點進行靈活應(yīng)用。以“測量重力加速度”的演示實驗為例，DIS設(shè)備可以根據(jù)這一實驗設(shè)計出四種方法，包括位移傳感器測定法、光電門傳感器測定法、光電門傳感器單擺測定法、二維傳感器平拋運動測定法。這四種方式在設(shè)備、操作、原理等方面既有聯(lián)系又有不同，教師可以根據(jù)學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況更有針對性地展開教學(xué)活動，促進其學(xué)習(xí)能力的持續(xù)發(fā)展。

二、高中物理DIS實驗的教學(xué)原則

（一）簡單性原則

在DIS實驗開展過程中，無論是探尋現(xiàn)象還是驗證規(guī)律，教師都應(yīng)在設(shè)計物理實驗時遵循簡單性原則。簡單性原則要求物理實驗的目的清晰明確，方案盡可能簡單便捷，器材盡可能操作方便，只有這樣，學(xué)生的畏難情緒才能逐漸消除，避免部分學(xué)生因為個人能力不足而過度依賴教師的幫助，或者出現(xiàn)在小組實驗中“等結(jié)果”的現(xiàn)象，確保每一個學(xué)生對實驗有熱情、有信心，讓DIS實驗的應(yīng)用真正取得應(yīng)有的成效。

（二）直觀性原則

在新課程改革的背景下，以人為本的教育理念深入人心，體現(xiàn)在教育活動的方方面面，物理實驗的教學(xué)活動自然也需要保障學(xué)生的主體地位。教師要清楚地認識到高中階段學(xué)生的思維特點，以形象思維為主，抽象思維的發(fā)展有待成熟。相較于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，DIS實驗的最大特性之一就在于學(xué)生可以從計算機屏幕上直觀地感受規(guī)律建立的過程，因此教師要充分發(fā)揮DIS實驗的這一優(yōu)勢，確保實驗教學(xué)的直觀性，但切勿由于一味地追求新穎而將原本簡單的實驗復(fù)雜化。DIS演示實驗為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一定的學(xué)習(xí)情境，因此教師也需要在實驗演示的過程中將直觀的結(jié)果清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生，確保學(xué)生真正理解與掌握。

（三）切適性原則

在DIS實驗推廣與應(yīng)用中，教師需要始終堅持以課程標(biāo)準理念作為支撐，但是這并不意味著教師要全部摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)理念與方法，而是真正做到取其精華、去其糟粕。教師要遵循切適性原則，以順應(yīng)課程改革中應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)理念，在條件合適的情況下，盡可能多地用DIS實驗演示，但是教學(xué)設(shè)計要遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律與需求，讓實驗為授課服務(wù)，要恰到好處。

三、DIS實驗在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用路徑

（一）立足常規(guī)實驗，進行優(yōu)勢互補

長期以來，常規(guī)物理實驗作為一種重要的教學(xué)方法，在教學(xué)活動中發(fā)揮了重要作用和意義。目前，每所高中都有專門的物理實驗室和全套教學(xué)設(shè)備，教師在傳統(tǒng)實驗教學(xué)方面擁有豐富的經(jīng)驗。然而，傳統(tǒng)實驗依然存在著一些缺點，如操作過程繁瑣、數(shù)據(jù)處理時間長、數(shù)據(jù)不準確、實驗誤差大等，這些都會對學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生一些影響。在此基礎(chǔ)上，教師可以利用傳統(tǒng)實驗的優(yōu)缺點，如數(shù)據(jù)準確性、處理速度、實驗結(jié)果可視化和易用性，將DIS實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，推動教學(xué)效率與成果的雙重提高。

比如，在高中物理實驗“電阻定律”的實驗教學(xué)中，實驗所使用的器材依然為常規(guī)實驗中出現(xiàn)的滑動變阻器、學(xué)生電源、合金絲等，但是教師可以將常規(guī)實驗中的電流表與電壓表替換為DIS設(shè)備中的電流傳感器與電壓傳感器，并將其連接在數(shù)據(jù)采集機及計算機上。在這一實驗設(shè)計中，無論是實驗原理還是方案都與傳統(tǒng)的常規(guī)實驗相同，但是DIS技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)讀取電流表與電壓表的方式，而是通過傳感器和數(shù)據(jù)采集器讀取電流表與電壓表的數(shù)值，在保證數(shù)據(jù)讀取準確性與精準性的同時，大幅縮短了讀取數(shù)據(jù)所需要的時間，從而在很大程度上達到減少實驗誤差的目的，確保導(dǎo)體電阻與長度以及截面積之間比例關(guān)系的可靠性。再如，在“測量電器的電容”這一實驗教學(xué)中，如果學(xué)生想要運用常規(guī)的實驗方法測量電容器的帶電量是一件比較困難的事，但是如果教師采用DIS技術(shù)中的整合模式，這個問題便可以迎刃而解——將電壓傳感器并聯(lián)到電阻器兩端，并通過數(shù)據(jù)采集器連接到計算機上，在實驗過程中，通過對電容器的充電后放電，借助DIS軟件進行計算，就可以輕松算出電容器的電容。

總而言之，這兩個實驗都立足于常規(guī)實驗，通過取長補短的方式實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。常規(guī)實驗器材的應(yīng)用加深了學(xué)生的認識與理解，DIS技術(shù)的引入則改變了數(shù)據(jù)測量不準的難題，讓高中物理實驗教學(xué)迎來新的發(fā)展機遇。

（二）著眼實驗難點，實現(xiàn)逐步改進

在DIS技術(shù)應(yīng)用的過程中，并非所有傳統(tǒng)常規(guī)實驗都能夠與DIS技術(shù)進行直接整合，針對這一問題，教師可以根據(jù)實驗特性以及實驗中存在的重難點，就常規(guī)實驗中的器材或原理進行適當(dāng)改進，并在此基礎(chǔ)上運用DIS設(shè)備采集和處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)常規(guī)實驗中較為棘手的點往往包括以下幾個：所需物理量無法通過實驗器材進行測量；實驗原理的理解難度較大；實驗測量過程難以控制，實驗誤差較大。

首先，針對所需物理量無法通過實驗器材直接測量的情況，就可以應(yīng)用DIS傳感器來測量，將傳統(tǒng)實驗中間接測量方法轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訙y量。牛頓第三定律在初中階段的要求如下，對于相互作用力方面，力的三要素——大小，方向，作用點，對于等大的特點沒有做定量的實驗，可以初步用對拉彈簧測力計的實驗進行證明。課標(biāo)也沒有提出具體要求。而到高中階段，考題中經(jīng)常出現(xiàn)有關(guān)相互作用力的考查，課標(biāo)沒有提出具體要求，僅在“相互作用與運動定律”方面提出通過實驗，了解力的合成與分解，知道矢量和標(biāo)量；能用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題。所以學(xué)生對相互作用力這方面的理解其實只是停留在死記硬背上，并不能真正的領(lǐng)會，作為實驗學(xué)科，通過實驗探究得出結(jié)論是最好的方法。此時利用DIS實驗?zāi)軌蛲ㄟ^數(shù)據(jù)圖表把相互作用力時時刻刻所對應(yīng)的大小關(guān)系呈現(xiàn)在學(xué)生面前，實驗操作方面我們可以連接力傳感器，這樣通過圖表，可以感受到相互作用力的大小是相等的，那么這方面的重點和難點就能突破，使學(xué)生切實感受相互作用力的大小相等這個特點。

其次，在傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)中，一些物理量是依據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)并利用物理原理計算得到的，不少學(xué)生對其中的物理原理存在著一定的理解困難，導(dǎo)致實驗教學(xué)效率低下、成果不佳。針對這一情況，DIS的引入可以改變測量方法，從而改變實驗原理，讓學(xué)生的理解與思考更輕松。在自由落體運動的教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的實驗用打點計時器測出位移，然后通過運動學(xué)的公式進行分析和運算得出它是勻加速直線運動，進而得出自由落體運動的相關(guān)規(guī)律。那么如果能用DIS系統(tǒng)和位移傳感器，擬合成位移時間圖像，就可以得到二次函數(shù)的關(guān)系。如果能夠?qū)M合的二次函數(shù)進行求導(dǎo)，那么導(dǎo)出的圖線為直線，這就直接可以得出速度與時間的線性關(guān)系，其斜率就是物理運動的加速度。這樣簡化了實驗步驟，也利于學(xué)生理解和感受自由落體運動的規(guī)律。

最后，在傳統(tǒng)的常規(guī)實驗教學(xué)中，有的實驗方法過于理想化，存在測量不夠全面、過程不易控制、測量誤差較大等多種問題。而DIS技術(shù)的應(yīng)用則能夠解決這些問題，為實驗“保駕護航”。以高中物理實驗“用彈簧測力計測量滑動摩擦力”為例，在傳統(tǒng)的實驗過程中，彈簧秤的讀數(shù)往往難以控制，測量過程較不穩(wěn)定，導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)誤差。DIS技術(shù)的應(yīng)用則可以將彈簧測力計改變?yōu)榱鞲衅鳎瑥亩@得更穩(wěn)定可靠的滑動摩擦力數(shù)據(jù)。

（三）整合教學(xué)資源，實現(xiàn)整體優(yōu)化

在DIS技術(shù)的應(yīng)用實踐中，作為高中物理教師，需要對相應(yīng)的實驗資源進行優(yōu)化與整合，并在此過程中不斷改進物理實驗教學(xué)方案，最終實現(xiàn)教學(xué)效率與成果的雙重提升。

首先，在DIS實驗過程中，盡可能從全方位、多角度來強化數(shù)據(jù)采集的自動化功能，比如，可以通過傳感器實現(xiàn)裝置與計算機之間的連接，并利用自動化收集數(shù)據(jù)來提高數(shù)據(jù)采集效率。其次，在DIS技術(shù)應(yīng)用的過程中，要注意強化計算機圖像信息的呈現(xiàn)功能，調(diào)動起學(xué)生的好奇心與求知欲，提高他們的參與度，引導(dǎo)學(xué)生參與圖像信息的分析工作，讓計算機資源發(fā)揮輔助性作用，推動學(xué)習(xí)進程?？梢哉f，在信息化時代的背景下，物理實驗教學(xué)也應(yīng)當(dāng)順應(yīng)時代發(fā)展的腳步，彰顯信息化特色。DIS技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，對師生雙方而言既是學(xué)習(xí)與發(fā)展的機遇，也是面臨的挑戰(zhàn)，只有在教學(xué)設(shè)計中合理整合教育資源，并致力于推動整體性優(yōu)化，DIS技術(shù)才能在實驗過程中更好地發(fā)揮作用，取得更理想的成果。

四、結(jié)語

DIS技術(shù)的出現(xiàn)有利于提高實驗數(shù)據(jù)采集的準確性與效率，推動學(xué)生學(xué)習(xí)能力的發(fā)展?；诖耍鳛榻逃虒W(xué)者，應(yīng)當(dāng)在DIS技術(shù)應(yīng)用的過程中遵循簡單性、直觀性與切適性原則，通過優(yōu)勢互補、改進重難點、整合教學(xué)資源、推動整體優(yōu)化等策略，讓DIS技術(shù)真正在物理實驗中發(fā)揮奇效。

注：本文系福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度“協(xié)同創(chuàng)新（含幫扶項目）”專項課題“新課程標(biāo)準視域下初中物理DIS資源的開發(fā)和應(yīng)用”（課題立項批準號：Fjxczx22-247）的研究成果。

（宋行軍）