数字化实验的内涵及误区解读

顾连忠

（河北师范大学 物理科学与信息工程学院，河北 石家庄 050016）

国家新课程标准对信息技术与物理课程的整合提出了具体的要求，尤其是将传感器列入中学物理课程。因此一种以传感器和计算机为基础，实现了信息技术与实验教学整合的新型实验模式——数字化实验室应运而生。各学校也以此为契机开始装备数字化实验室，作为学校实验教学改革的重要部分斥资建设，目前国内外的厂家纷纷将基于传感器的数字化实验作为自己的主要生产对象并以昂贵的价格推向各个学校，那么究竟数字化实验应包括哪些内容？应该如何理智地建设数字化实验室？

1 数字化实验的内涵

数字化实验是以真实实验为基础，借助计算机来完成的实验。数字化实验室应该包括三个方面。

1.1 仿真实验

仿真实验是一个开放性的实验仿真软件，提供一个实验器具完备的综合实验系统，可以仿真所能想象的所有实验，例如可以提供质点模型、弹簧、滑轨等器具；可以提供电场、磁场、重力场、阻尼介质等实验环境，可以完成自由落体运动、机械能守恒、带电粒子在电场中的偏转等实验项目，人造地球卫星、太阳系的运行等也能利用仿真系统模拟。仿真实验不但可以演示逼真的实验动画，还可以在演示的同时提供相关的实验实时数据。通过仿真，模拟理想化的实验环境，帮助学生建立理想化的物理模型，得出物理规律。

1.2 借助传感器计算机自动采集和处理数据[1]

在物理实验中，实验数据的采集要通过传感器把各种物理量如力、声、光、温度、位移、磁场强度等转化成模拟电信号，通过I/O和O/I转换，转换成计算机能够识别的数字信号，由计算机采集数据，利用编制的软件，快速、方便、准确地处理采集到的实验数据，可以及时得到实验结果，如计算结果、图表、误差分析等。通过各种传感器替代传统的仪表，将实验数据采集之后交由计算机分析处理，能够更加清晰、明确地展示现象，揭示规律。

1.3 用多媒体手段表现物理现象

计算机的多媒体功能越来越强，可以非常直观形象地表现实验现象，尽管表现出来的本质是虚拟的，但是它突破了真实物理实验现象的时空局限，大小、动静可以变化，使实验现象的观察更方便，感受理解更生动。

2 数字化实验与传统实验的比较

2.1 数字化实验采集数据大，实验占用时间少

从实验理论上来看，采集数据的过程仅仅是一种模仿形式，因为传统实验数据量的不足造成了实验结果的真实性不强。而用了传感器作为实验载体以后，进入实验阶段的过程将大大缩短，提高了效率。从数据的数量和数据的真实性来说都比较理想。从实验的完成速度来看除非是必须要缓慢变化的实验，比如气体定律的实验，各种参数的改变在需要用控制变量法时要尽量放慢速度以外，其它实验都可以在非常短的时间内完成，甚至有的实验仅仅在1分钟的准备以后在1秒内就完成了 1000组实验数据的采集。数据采集器可以在非常短的时间内将数据全部记录并通过数据电缆传送到电脑中。通过配套软件处理大量的实验数据，根据学生有选择性的菜单式的操作就可以得到理想的拟合效果。在配套电脑软件的帮助下，有着强大计算功能的CPU对于数万个数据的计算也就是短短数秒就能结束。这是传统实验所无法达到的结果。传统实验采集数据需要反复操作才能得到多组数据，占用大量时间，而且传统实验还有一部分的内容是要课后完成的，因为课堂的时间仅仅是能满足完成实验数据的记录。而通过传感器技术和相关电脑软件的配合，可以在课堂上完成完整的实验过程，效率大大提高了。

2.2 数字化实验没有时空的限制

传统的实验需要一定的场地、仪器、时空条件才能完成，有些实验如强光、强电、远距离的则无法在实验室里完成，造成了传统实验的局限性。而仿真实验室解决了这个问题，生动形象的模拟过程不仅提高了学生的兴趣，更重要的是提供了虚拟的没有边界的实验场地，补充了实验内容，拓宽了知识面。多媒体可以用动画的方式演示实验过程，可以在没有实验室和实验器材的情况下完成，可以任意裁剪，配合课堂教学用。

2.3 利用传感器技术可以做传统手段做不好和做不出的实验[2]

借助数字化实验提供的先进技术手段突破传统实验手段的限制，大幅度改进效果差的传统实验。例如将电流传感器用于自感现象实验教学中，闭合开关通电出现了一个灯泡先亮一个灯泡后亮的现象。这是由于电磁感应引起通过两个灯泡的电流不同产生的自然现象。以往老师只能通过理论分析电流的变化情况，学生无法直接观察到电流变化的情况，只能被动接受老师的分析，头脑中很难有形象的物理情景作支撑，形成了教学中的一个难点。引入电流传感器，将电流的变化记录为图像，使学生直观地看到自感对电流的影响，帮助学生认识自感现象的本质。在这个基础上，老师又启发学生从电磁感应的理论出发来分析断电时自感现象中电流的变化情况，并利用电流传感器实时记录电流变化图像印证学生分析推理的正确与否。在这个过程中学生由被动地听讲变成了主动参与，在积极地对话交流的过程中加深了对自感现象本质的理解。这样不但解决了传统实验仪器不能够直观反映出更本质现象的弊端，增强了教学效果，并加强了学生的主动参与，大大提高了课堂教学的效果。

3 应用传感器做探究性实验

在教学实验中，通过实验再现科学发现的过程，让学生体验到“猜想—验证—归纳”的科学探究过程，初步掌握科学研究的方法。传感器的应用大大提高了这种探究过程的实效，成为探究性实验中重要的辅助手段。

3.1 对传统实验进行“再挖掘”，开发其潜在的教育和教学功能[3]

动能定理、动量定理是在学生学习过牛顿第二定律和匀变速直线运动的规律基础上，对力和运动状态变化关系作进一步的学习内容。传统的教学方法是通过公式的推导使学生得到一个合乎逻辑的结论，然而在实际中什么是动量，什么是冲量，什么是动能，为什么动能的定义要有一个1/2的系数？学生是没有感性认识的。在运用传感器进行动能定理、动量定理的实验教学过程中，学生充分利用实验创设的真实情景，在实验的全过程中主动地进行探索，通过处理实验的一系列数据，“发现”新规律，“定义”新的物理量。

3.2 推出一些新的实验项目进行探究、创新[4]

碰撞的内容属于学习的难点，也是考试的重点，有关碰撞的实验题目很多，但是具体两个物理碰撞的具体过程是什么样的？两个物理从开始碰撞到分开的瞬间，它们的速度又是怎样变化的？弹性和非弹性又有什么不同？由于碰撞过程非常短暂，只是一个瞬间，用常规的传统手段得不到任何数据，只能做理论的假设，借助传感器连续采集大量数据的优点，问题可以解决。再如单摆的实验中，教材中提供的只是摆角小于5。的近似表达式，如果摆角大于5。的情况下又是什么结果呢？如果摆球在液体中摆动呢？将细绳换成橡皮筋结果又怎样呢？需要借助各种传感器来采集数据和分析结果。

当然这种探究性的实验会打乱原有的教学安排，以学生自身为主体，从发现者和探索者的角度出发，从物理数据中，独立地得到客观世界的规律，在探究性实验过程中，教师虽然不是主体，但是必须及时加以指导，引导学生掌握科学的物理研究方法，学会在研究和归纳的过程中感性地理解物理变化及其规律。

4 数字化实验的理解误区

4.1 数字化实验不等于用传感器做实验

数字化实验是基于计算机平台的使用，以真实的实验为基础完成的实验，包括仿真实验、借助传感器的实验以及多媒体展现的实验。在现有的实验室环境里我们实现不了的实验，如太阳系、微粒子等我们可以借助仿真实验来实现；传感器系统具有采集数据量大，便于分析的优点，适合学生做探究实验；多媒体可以用动画或录像的形式，配合课堂教学，提高课堂学习效率。这三部分内容相互补充，和传统的实验共同完成基础实验的内容。

4.2 数字化实验不能代替传统实验

数字化实验从数据采集和分析上大大优于传统手段的实验，但是传统实验是培养学生基本实验能力和实验素养的载体，是不能忽略的教学环节。新一轮基础教育改革对学生物理实验能力提出了全面和深刻的要求。传统的实验方法能够培养学生准确、深刻的观察力，实验过程要求学生观察快速、选择准确，提高了学生观察的敏锐程度；传统实验还能培养学生的操作能力，为了获取大量的数据学生必须反复的操作，从而操作熟练，手眼协调。数字化实验依靠计算机操作平台，学生直接获得数据和分析结果，但是计算机程序编制的依据却不得而知，传统性实验正是培养学生编制实验程序和数据处理的能力，包括有效数字的使用和实验误差的分析。传统性实验有助于培养学生实事求是的科学态度，即忠于实验现象和实验数据的科学作风，即使实验中出现较大的偏差，也必须承认，从而反思找原因，培养学生思考、质疑、坚韧和创新的精神。数字化实验在探究方面表现很强的优势，但决不能把数字化引进到所有的传统实验中，偏离基础教育的要求。

4.3 传感器的实验不只是运用传感器，还应该包括如何制作传感器

传统的物理实验是将各种物理量例如温度、时间、力、加速度等转化为长度进行度量。例如杆秤就是把质量的测量转化成长度的测量，温度计就是利用水银热胀冷缩的特性用长度来表示温度。指针式手表就是把时间转换成角度来让人们测量时间的变化。传感器则是将各种物理量转换成电信号，人们对电信号做出进一步的分析和处理。学生应该了解基本传感器的概念，并且应该了解基本传感器的组成，了解物理量转换成电信号的器件。数字化实验室应该包含制作传感器的内容。将传感器化整为零，放大，让学生从多种传感器件中选择制作不同的传感器。如制作光电传感器，既可以用光电池，也可以用光电二极管，既可以根据光强变化制作，也可以根据遮挡的距离做计数器，根据实验的不同，传感器所放置的位置和要求有所不同，从而培养学生对现代科技方法的认识，独立设计实验的能力。

在新课改培养学生创新能力的教学目标要求下，我们应该了解数字化实验的内涵，理智的看待目前数字化实验室的流行，把有限的资金投在有效的地方，将数字化实验和传统实验结合起来，为学生提供更加宽泛的实验领域，培养学生的探究创新能力和综合信息的处理能力。