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1、1数字化物理实验教学对学生自主学习、主动探索数字化物理实验教学对学生自主学习、主动探索11 题目陈述 所谓“数字化实验” ，指的是将现代实验技术和以计算机为核心的数字化技术融为一体的实 验。数字化实验的应用，不但能替代许多传统仪表，即使替代也不是简单的功能重复，而 是大大提高了测量范围、精度、反应时间。因此，数字化实验使中学物理的教学内容发生 了很多改变，许多原来不能做的实验可以做了，许多原来只能定性的实验可以定量分析了， 许多“瞬时”的过程(如碰撞)我们能通过高速扫描记录下来仔细分析了，因此学生利用数 字化实验手段可以探究的问题范围和深度都大大拓展，这对提高学生的探究能力很有益处。 计算机及
2、配套软件的使用使我们“数据挖掘”的本领大大增强，更容易、更深刻地揭示客 观世界隐藏的各种规律。 数字化实验系统将打破传统实验教学的固有模式，使中学物理实验具有高度的自主性、开 放性和探索性，学生可以比较方便地根据不同的目的设计实验。另一方面，对于同一个实 验，不同学生在学习目的上可以互不相同。实验既可以是探究性的，也可以是验证性的， 由于数字化实验具有便于使用的模块，学生可以更自由地设计某个实验来验证他们的想法， 为学生大胆创新提供平台，以适应高中物理课程标准中“物理实验专题”选修模块的需要。12 新课程标准对中学物理实验教学的要求 普通高中物理课程标准(实验) ，是在深化基础教育改革，全面推
3、进素质教育的背景下产 生的，它以全新的课程理念出现在我们的面前。 标准中关于物理实验的描述，一并以 “通过实验” “通过实验探究” “通过观察和实验”等术语提出了要求。在教学建议方面， 新课程强调教学要致力于教与学方式的改变，尤其要促进学生学会合作、探究、自主地学 习。课程标准理念为物理实验教学改革提供了新的思想理论，数字技术的普及则为物理教 学提供了全新的技术手段和教学平台 .数字文化与课程标准理念的结合必将为物理实验教 学乃至物理课程现代化产生重大影响。 13 问题及假设 数字化实验教学有利于培养学生自主学习、主动探索的能力。二 研究方法 选择了天津市实验中学 2007 年入学的高一、6
4、班，高一、8 班两个班的学生作为研究对象。 其中，高二、6 班为对照班；高二、8 班为实验班。每班各取 40 人，男女生各 20 人。实验 周期为一年。 调查法、实验法、比较研究法相结合的研究方法。 21 自变量 采用数字化物理实验的教学方法 实验班：采用数字化物理实验的教学方法 对照班：采用传统的物理实验教学方法 22 因变量 教学效果 学生自主学习、主动探索的能力 23 无关变量及控制方式 表 无关变量及控制方式无关变量控制方法教材内容 教学时间 物理学习原基础同一教材（人教版） 相同课时（4 课时/周） 实验前物理成绩相当2学生性别 教师选择男女生比例相同 同一物理教师三 实施步骤 31
5、 增设使用数据采集器的小实验的几种应用方式 1、在呈现实验过程中探索物理规律的应用 2、在可见度小，显示瞬间变化物理实验中的运用 3、在某些不易直接观察物理变化规律实验中的运用 4、对于易出错的物理概念，可以通过实验用数据采集器去检验 5、运用物理概念和规律到野外开展课外探究性学习活动 6、用于有趣或有毒的物理实验 32 突出数字化物理实验中现代化设备的强大处理功能 在观察环节，数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，以往用肉眼观察非常 困难的物理现象，现在可以借助数字视频技术在时间和空间上的扩展可以清楚地采集下来 反复观察。 在数据采集环节上，计算机和传感器等数字手段的介入，可以更快
6、更准地得到实验数据 。 从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于讨论物理问题之中。 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。 33 采用数字化实验教学实施课例 在实验班使用数字化物理实验教学方法，对照班使用传统物理实验教学方法。 （如表 1） 表 1 数字化实验教学与传统实验教学的实施（举例）课题实验班采用数字化实验教学对照班传统实验教学1摩擦力1.将多通道数据采集器与计算机的 USB 接口相连。 2.将两个力传感器与多通道数据采集 器连接。 3.传感器接入后， “DataStudio”软 件
7、自动启动。 数据采集： 将力传感器清零，点击 “启动” ，逐渐用力拉动重物，使重 物匀速运动一段后，停止采集数据。 教师（学生）用弹簧测力计拉动物块直 至运动，感受由静到动时拉力的变化， 粗略测量静摩擦和滑动摩擦。向心加 速度1.将多通道数据采集器与计算机的 USB 接口相连。 2.将光门端口与光门端头连接，并将 光门端口、力传感器与多通道数据采 集器连接。 3.传感器接入后， “DataStudio”软 件自动启动。 4.缓慢转动平台,使“自由砝码”保 持静止，点击“启动”按钮，3 秒后 使滑板转速突然变大。 5.转动稳定后，采集数据。 1.用质量不同的钢球和铝球，使他们运 动的半径 r 和
8、角速度相同观察得到：向 心力的大小与质量有关，质量越大，向 心力也越大。 2.用两个质量相同的小球，保持运动半 径相同，观察向心力与角速度之间的关 系。 3.仍用两个质量相同的小球，保持小球 运动的角速度相同，观察向心力的大小 与运动半径之间的关系。四 数据统计结果及评价 41 实验前后学生自主学习、主动探索的能力的分析3通过调查问卷，了解学生自主学习、主动探索的能力。实验前后各测一次，并对调查结果 进行分析。 （如表 2） 表 2 实验前后学生自主学习、主动探索的能力的分析实验班对照班调查问题选择项前后前后A、经常27%48%26%30% B、偶尔55%42%56%57%学习生活中，你 向老
9、师同学家长提出 问题。C、从不18%10%18%13% A、没有什么问题10%5%9%8% B、有问题但提不出57%35%58%57%学习过程中，你常 感到自己C、经常能提出问题33%60%33%35% A、经常35%54%36%38% B、偶尔37%32%35%37%你干什么都想问个 究竟吗？C、从不27%14%29%25% A、经常8%18%8%8% B、偶尔57%61%58%57%你怀疑过老师或教 材中的结论吗？C、从来没有35%21%34%35% A、经常14%20%12%13% B、偶尔65%66%60%65%学习中，对老师的 解释，你有过不满意 吗？C、从来没有21%14%28%2
10、2% A、主动31%66%32%33% B、被动49%25%48%49%在对物理问题的讨 论中，你能 发表自 己的看法、观点。C、从不20%9%20%18% A、经常20%38%19%18% B、偶尔51%45%52%51%你能 注意周围的 一些司空见惯的现象， 并努力去探究它（如 树儿为什么向上长等） 。 C、从不29%15%29%31%A、经常10%18%8%9% B、偶尔41%54%42%42%你对老师提出的问 题 _有与众不同的 解答。C、从不49%28%50%49% A、经常12%20%12%11% B、偶尔43%56%43%45%遇到问题时，你 能想到一般人意想不 到的办法。C、从
11、不45%24%45%44% A、经常22%50%21%25% B、偶尔51%42%52%51%做习题或解决问题 时，你 想到两种或 两种以上的方法C、从不27%8%27%24% A、认真思考有把握后 才回答51%60%52%55%B、不管对错都要发表 见解14%30%15%14%对老师提出的问题， 你是C、考虑了，但害怕错， 基本不回答35%10%33%31%4A、喜欢27%56%26%27% B、偶尔喜欢55%32%55%55%学习物理概念时， 你 对其来龙去脉追 根究底。C、不喜欢18%12%19%18% A、放在一边，过后就 忘了27%9%26%20%B、查找资料，以期启 发18%26%
12、20%16%C、和同学讨论39%49%38%40%在实在不能独立解 决所遇到的问题时， 你是D、请教老师以获得指 导、16%16%16%24%A、经常29%49%30%31% B、偶尔51%40%48%51%学习物理知识时， 你 将它与生活中、 生产中某一现象相联 系，并试图用其解释 之。C、从不20%11%22%20%A、经常24%30%25%24% B、偶尔33%36%31%35%你 试着去弄清诸 如钟表等物品的原理， 并试图去改进它。C、从不43%34%44%41% A、经常22%45%21%23% B、偶尔47%40%48%47%你在对某一问题拿 不准时，是否想到动 手做做看。C、从不
13、31%15%31%30% A、经常17%27%15%18% B、偶尔47%44%48%47%你 将学到的知识 应用到实践中去。C、从不46%29%47%45% A、经常15%18%16%16% B、偶尔59%61%55%57%生活学习中，你 能动手修理家中或学 校中的一些简单用品。C、从不 26%21%29%23%A、经常29%41%28%30% B、偶尔55%51%57%55%你平时 阅读各类 杂志和课外书籍，扩 大知识面。C、从不16%8%15%15% A、研究问题的方法43%60%40%43% B、物理知识51%37%55%55%物理学习中，你觉 得学习 最得要。C、不知道6%3%5%2
14、% A、亲自动手做实验29%44%28%30% B 与同学一起动手做实 验47%50%44%49%C、看同伴做实验16%5%17%16%(21)分组实验时，你 经常是D、不做也不看8%1%11%5% A、将书上的实验结果 写入实验报告55%34%53%51%(22)实验失败时，如 果重做将花较多的时 间，你的做法是：B、把失败的实验结果 写入实验报告20%21%21%22%5C、重复实验，寻找失 败的原因25%45%26%27%以上各项调查虽有学生主观的影响，但统计结果与教学观察基本一致。明显显示，实验前 学生深受传统教育思想的左右，明显表现出唯师是从，知识狭窄，能力低下，创见贫乏， 与知识经
15、济社会对人的创新素质与能力的要求相距甚远。具体表现在以下几方面： (1)问题意识。发现问题比解决问题更重要，没有对问题的发现、提出，就不可能有问题的 解决和创新。调查的第 1、2、3、4、5、7、11、12 题显示学生是否善于提问，善于在没有 问题处提出问题，敢不敢怀疑权威和书本，敢不敢发表自己的见解和观点。 (2)求异思维。创新品质中求异思维最重要，没有对问题的多角度、多方位的思考，循规蹈 矩，就不可能有新的发现和创新，第 6、7、8、9、10、20 题显示我们的学生是否具有求异 思维品质、创新意识，善于独辟蹊径，另选方法。 (3)学生的主体意识。第 6、11、19 题反映学生学习地位，主体
16、的参与意识和参与能力。第 7、12、13、22 题反映学生知识面，自主探究问题的精神和能力， 。 (4)实践意识和能力。第 14、15、16、 17、18、21、22 题反映学生实践意识，是否将实验 看作是探究能力和实践能力的训练。具不具有实事求是的科学态度和科学探究精神。 通过实验，对调查问卷进行数据分析，实验班学生自主学习、主动探索的能力明显提高。 五 课题研究结论及今后设想 数字化实验教学符合学生的认知规律，符合学生自身发展的需要，受到学生的欢迎。在培 养学生的学习兴趣、自学能力，发展创造性思维和能力，培养学生不断探索、勇于创新的 科学精神、实事求是的科学态度以及培养合作精神与能力等方面，较之传统的讲授法有显 著的优势。 数字化实验系统的引入，必将改变传统物理课堂教学的模式，为教师和学生的发展带来新 的理念和领域。实验不仅仅是动手，还要动脑。数字化实验系统的引进，表面上看减少了 动手操作，但实际上大大增加了智慧操作的程度。数字化实验最重要的特
