管窥数字技术在物理实验教学中的应用



管窥数字技术在物理实验教学中的应用

◇山东董晓臻

物理学是一门以实验为基础的自然科学,《普通高中物理课程标准(实验稿)》中明确指出:“物理实验是高中物理教学中的重要内容” “重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用,诸如通过计算机实时测量、处理实验数据,分析实验结果等”．

对于以实验为基础的物理学科而言,当前改革是紧紧围绕物理实验进行的．自2003年朗威DISLAB数据采集器正式推出起,研制开发的应用于物理实验教学的传感器数字技术产品大批量涌现，传感器和数字化处理系统的结合为物理实验教学提供了全新的技术手段和平台,使物理实验教学翻开了崭新的一页．

1数字化实验系统在实验教学中的应用

1.1采集一些瞬时性的物理量

受实验器材限制,一些变化很快的物理量的瞬时值通过传统的实验器材是很难测得的,例如摩擦力的变化、瞬时速度、瞬时力(作用力和反作用力的关系)等．现在我们采用以传感器为核心的数字技术,非常简单地就能够得到这些数据,给学生以非常直观的认识，弥补传统实验的不足．如图1就是利用传感器得到的物块和木板间摩擦力的变化关系;而图2是在探究作用力和反作用力关系时,利用传感器技术得到的2个力瞬时对应关系．它们都给学生以非常直观的认识，而在传统实验中这种瞬时关系是我们很难得到的．

图1　　　　　　　　　　　　　图2

1.2快速进行数据处理和分析

传统实验中,尤其是课堂演示实验,很难进行复杂的数据处理性实验,只能演示一些定性分析性实验.现在应用数字技术,采集完数据后,利用智能处理系统,可以自动处理数据,包括绘制物理量关系图线．例如,学生在探究加速度与质量的关系实验时,利用传感器采集数据,利用智能处理系统计算机可以瞬间拟合成图象,省去作图时间．尤其是在课堂演示实验中,将学生从烦琐的数据处理过程中解脱出来后,师生可以把精力从简单数据处理层面上转移到分析较深入的数据内在联系上．

2虚拟实验系统在实验教学中的应用

虚拟实验就是利用计算机虚拟现实实验．它将实验仪器、实验环境、实验环节等全部在计算机仿真系统中利用技术生成，是计算机虚拟现实技术在教学上的一个重要运用．它既可以仿真传统实验,也可以仿真传统实验室无法达到的特殊环境,例如高温、强电、强磁、高能粒子、空间实验等．使用者带上相应数据传感设备,比如特殊的头盔、手套等,就可以进入虚拟的实验环境中,操作虚拟环境中的各种虚拟的实验器材,进行相应的实验．可以预见,虚拟现实技术的迅猛发展,必将引发物理实验教学的深刻变革．

2.1为真实实验前期准备

学生通过虚拟实验了解实验器材、实验内容和实验过程．在实际操作时就可以根据虚拟操作中出现的问题,做适当的调整、注意和规避，从而提高实验教学效果和减少不必要的设备损失．

2.2较为容易地扩充实验教学内容

学校只需要购买相应的软件构建成虚拟实验室,而不必用大量的资金去添置实际设备．这样做既能够节省资金,又给实验教学本身以更大的自由度，既涉及以前教学实验无法涉及的领域,也给予学生更大的学习空间,激发他们的想象力、创造力，同时教师在设计实验教学时也有更大的选择空间．

2.3模拟特殊环境

模拟的特殊环境有高温、强电、强磁、高能粒子、空间实验等．这样的环境在传统实验中我们是无法在其中完成相应的实验探究的,但在虚拟环境中学生就能够借助传感器完成相应的实验课题．

随着教育技术不断革新,笔者相信数字技术在物理实验教学中的应用也会越来越广泛,未来的课堂教学数字技术必然会大行其道,在物理实验教学中也将具有举足轻重的地位．数字技术和传统实验二者有机结合,也为我们的实验教学设计提供了更多的可能．

(作者单位：山东省潍坊市潍坊滨海中学)