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1、浅谈数字化手段在物理实验教学中的意义世纪之交，我国启动的基础教育课程改革，是一场划时代的深刻改革。在这场课程改革中，最基本的理念是提倡“以学生为本” ，面向全体学生科学素质提高，旨在培养全体学生终生发展的兴趣和能力。因此，怎样改革物理教学，培养学生自主学习能力，培养科学探究的兴趣和能力成为课程改革的重点，在这样的理念下自然就要求人们去全面地、深刻地研究揭露物理学的学科特性和教育功能。课程标准理念深刻地改变了物理实验教学的目标、性质和模式，从单纯为了学习知识验证理论，学习操作技能，转变为以全面地培养科学素质为目标的课程，提出了“知识与技能，过程与方法，情感态度价值观”三维教学目标。这样的物理教学
2、目标决定了物理教学的性质、内容和模式。从人教版教材的变化上，我们对上述理念可见一斑。首先在教材的序言部分增加了数字电路、超导磁悬浮、不确定关系以及宇称、新粒子的发现等前沿物理学的科普知识。这说明我们的物理教育要紧随科学技术的发展，要渗透新兴的物理研究内容和结果。教材要与时俱进，不能限于教条，几十年来一成不变。然而对于前沿的物理科普知识的讲授，难点之一就是对于物理情景的再现。因为很多情景是理想状态下的或者是微观世界的，这就决定了我们的教学手段也要做出相应调整。利用数字化的手段对于情景的再现，有其得天独厚的优越之处。所谓数字化，是指利用计算机信息处理技术把声、光、电、磁等信号转换成数字信号，或把语
3、音、文字、图像等信息转变为数字编码，用于传输与处理的过程。在这个过程中传感器和计算机是必不可少重要组成部分。利用数字化手段教学，不仅能够便捷的再现实际实验操作中难以实现的物理情景，而且能够极大的提高学生的学习兴趣，是符合新课程教学理念的，应该大力推广。数字化物理教学首先是指在物理教学实施过程中或者是物理实验中广泛利用计算机、多媒体、仿真实验扩大物理实验的内涵，拓展物理实验的教育功能。人教版的物理教材中在演示实验中注重了对数字化手段的应用。大量使用传感器和计算机系统处理数据图线是新教材实验的特点。2006 年，我校购买并投入使用了“探世界物理实验室”，从而实现了数字化实验，为学科教学与信息技术的
4、整合提供了一个尝试模式，为每一个普通的学科教师走近信息技术与课程整合铺设了一条方便之路。与传统的实验教学相比，数字化实验教学无论在内容、组织形式以及重难点方面都有其本身的特点。以下笔者以人教版的普通高中物理标准实验教科书中的一些实验来说明这些特点。1、计算机、多媒体、仿真实验扩大了物理实验的内涵，扩展了物理实验的教育功能，提高了实验教学的效率。实验观察中，数字化手段可以使得实验现象放大、加快或延缓，增强了实验的可视性，并且可以借助数字视频技术将要重点观察的实验现象采集下来很方便的进行反复观察，使得重点更突出。比如可利用多媒体演示弹簧振子的运动，利用频闪照相记录自由落体运动并借助计算机描绘其运动
5、相关图线。这可以使本来在实际实验中很难观察的实验现象直观化。2、计算机和传感器等数字手段应用于数据采集环节上，可以更快更准确地得到实验数据，从而节省宝贵的课堂时间，使得我们把更多的精力集中在对物理过程的分析和研究上。在数据分析环节上，利用计算机的强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。利用计算机的即时绘图软件，可以在采集数据的同时把我们所需要的物理图线绘制出来，极大的提高了物理实验的效率。现代物理实验室中已基本采取这样的数据处理手段，科技在发展，研究手段也应该与时俱进。在借助传感器用计算机测速度的实验中，用“运动传感器”把物
6、体导轨上运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机运算，可以在荧光屏上显示物体运动的速度，甚至能在几秒内自动绘出运动 v-t 图象。这样，同学们可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析。上图是一种运动传感器的原理图。这个系统由 A、B 两个小盒子组成，A 盒装有红外线发射器和超声波发射器，B盒装有红外线接受器和超声波接受器，A 盒固定在被测物体上。测量时 A 向 B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲，B 盒收到红外线脉冲时，开始计时，收到超声波脉冲时计时停止。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动计算出 A 与 B 的距离（红外线的传播时间可以忽略）。经过短暂的时间 t 后
7、，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，即物体运动的位移 x，系统按照v=x/t 算出速度，显示在荧光屏上。所有这些操作都可在不到 1s 的时间内自动完成。在采集到所需要的速度数据后，我们可以借助软件（如 EXCEL）即时得到 v-t 图线（参考右图）。3、随着数字化实验系统的功能全面增强，为物理实验教学在实验内容上更多情景的展示带来了机遇。拓展了物理实验的功能。比如，在传统中学物理实验中，没有设备能很方便地测量光的强度，因此在光的干涉和衍射现象中，对于加强区域和减弱区域的描述只能定性说明。利用光传感器，可以很直观的演示光的干涉现象。实验装置如左图，光源在铁架
8、台最上端，中间是刻有双缝的挡板，下面是光传感器。光路自上而下。光传感器得到的光照信息经计算机处理后，在荧光屏上显示出来。在荧光屏上显示的干涉图象上移动鼠标，可以得到条纹间距，从而计算光的波长。该实验与传统的利用双缝干涉测量光的波长相比，除了同样可以测量条纹间距外，它还可以方便的、形象的在荧光屏上展示亮条纹的分布，并能定量的描绘出传感器上各点的光照强度。再比如，传统的物理实验测量仪器无法测量电场强度和磁感应强度，现在有了电场强度和磁感应强度测量模块，可以很方便的测量两个物理量。另外，在一些瞬时的物理过程中要测量运动时间是非常麻烦的事情，而利用光电计时设备则能很好的解决这一困难。利用右图所示的装置
9、可以研究自由下落物体的运动。立柱上有一个电磁铁，通电时，小钢球被吸在电磁铁上，断电时，小球自由下落，计时装置开始计时。立柱上还有4 个可移动的光电门。当小球经过某一光电门时，光电计时器能测出小球从初位置到这个光电门所用的时间 t。再用刻度尺测出电磁铁到 4 个光电门的距离，可以得到 4 段位移。将数据采集绘制 x-t 图象，研究其特点。当然，我们也可以利用上个实验中的速度传感器，直接采集速度数据输入计算机即时生成 v-t 图象。这样的实验设计可以引导学生自己完成。把不同模块的传感器组合，可以使得物理实验的功能异常强大，同时也锻炼了学生的开放性思维，为学生大胆创造提供了实验平台。4、虚拟实验是从
10、计算机领域中的虚拟现实技术与实验教学相结合的产物。它将实验仪器、实验环境、实验环节等全部由计算机仿真系统来完成，既可以仿真传统实验，也可以仿真传统教学实验无法涉及的条件要求很苛刻的实验，如高温、强电、强磁实验、高能粒子实验、空间实验等等。使得一些在实际实验中无法实现的实验现象或者是难以观察的实验现象变得直观明了。在另外一些物理实验中存在着不确定的危险性，比如放射性实验，高温、高压甚至是有爆炸危险的实验。让学生冒险实际操作这些实验也不现实，利用仿真实验系统来代替这些实验可以很好的解决这一矛盾。也有不少老师质疑虚拟实验的客观性，因为这样的实验充其量是根据我们需要的实验结果设计出来的，并不能客观反映
11、真实的物理过程和规律。我觉得应该一分为二的来看待这一问题。诚然我们不能过分依赖虚拟实验，试图将所有的演示实验虚拟化，这有违物理学以客观实验事实为基础的原则。虚拟实验的结果绝不能代替真实实验。因此，可以实际操作的实验还是要实事求是的做，但对于一些难以实际演示的实验，为了加深学生对于知识的理解，适当利用仿真实验也无可厚非。5、数字化实验系统（DIS 系统）对传统的物理实验教学观点产生了强大的冲击。从总体上讲，数字化实验系统是以计算机及传感器为核心器件的实验体系，而与传统的实验系统相区别。数字化实验系统结构将使实验教学的设计思想、学生的操作过程和实验中间环节发生很大变化。实验教学的重心不再是解释各个
12、实验器材的功能和组装。我们不能也不必过分关心系统是如何实现测量、输入功能的（如力学传感器如何测量力，如何将数据输入计算机，其内部构造如何）。我们的注意力是根据实验要求选择适合的实验模块，以及如何正确的设计实验等。如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎要求，软件支持的情况等。在这种情况下，实验教学使一些层面相对简化，而使另一些层面更深入。如在数据处理上，有明确的处理形式的机械性工作，可以交给计算机来自动完成，使处理数据层面上工作简单化。而对于实验原理和功能的研究则需要更深入。这样的特点其实体现了物理教学的初衷。数字化手段在物理实验中的大量应用，极大地扩展了教学实验的内容，涉及以前教学实验无法涉及的领域，提升了物理教学的广度和深度，给予学生更大的学习空间，激发他们的想象力、创造力。它可以对教学资源进行整合，只用少量的资金去购买相关软件而不必用大量的资金去添置实际设备，从而给实验教学本身以更大的自由度，同时它可以作为真实实验的事前准备，使学生在做真实实验之前就对实验设备和内容有深刻的了解，从而提高实验教学效果和减少不必要的设备损失。
