数字化实验在高中物理教学中的应用探析

金伟

【内容摘要】随着我国教育行业的日渐发展，高中新课程的改革与推进，我国高中物理教学内容不仅发生了改变，教学方法、学生的学习方式也有所改变。在高中物理教学过程中应用数字化实验能够弥补传统物理实验教学中的不足，实现了新时代背景下物理实验教学的数字化、动态化，将实验数据能够充分捕捉和展现，这对于高中学生而言能够更加直观地了解实验的概念和规律，有利于提升高中学生的图形认知能力，也有利于完善高中物理实验的量化研究。笔者将结合实践教学经验分析数字化实验在高中物理教学中的作用并对其应用做出探究。

【关键词】数字化实验 高中 物理教学

物理作为我国高中教育阶段中重要课程之一，物理实验作为高中物理教学的基础，其教学方式、教学模式深受学生、家长、学校的关注。随着我国科技技术的进步，数字化实验逐渐走进高中物理教学课堂，数字化实验系统的应用帮助物理实验更具便捷性、精准性、时效性，同时也让学生更加直观地了解到实验数据、实验结果，对高中物理课堂教学有着很大的帮助。

一、数字化实验概述

（一）数字化实验概念

数字化实验室（DIS）是由传感器、计算机、数据采集器以及相关数据处理软件所构成的集测量、采集、数据处理等组成的实验室。数字化实验室是现代化信息技术与传统实验课程相结合的新兴产物。以计算机实时数据采集和计算机信息处理软件的建模和图像分析技术为载体开展高中物理实验探究教学是现代化高中物理教学课堂走向现代化，提升高中物理实验档次实现高中物理教学与国际接轨的有效路径。

（二）数字化实验在高中物理教学中的应用优势

1.实验过程“可视化”

高中物理实验中空间上细微的变化让人难以捕捉，所以为了捕捉细小的变化高中物理教师会在实验课堂上借助显微镜。但是显微镜无法在时间上进行细节对数据进行捕捉，所以针对碰撞过程实验或者放电电流实验，高中物理教师一般只能用多媒体软件模拟演示或者定性讲述。数字化实验在高中物理实验教学中运用便能够有效突破这个实验难点，通过与计算机连接的传感器进行数据的实时采集和记录。自动记录替代了传统物理实验中实验者手、眼、纸和笔的记录方式，实现了数据记录的连续性和实验瞬间变化的“可视化”。例如在失重教学实验中引入传感器技术能够在短时期内清晰地记录压力随时间变化而变化的图像，便于实验后总结超重和失重现象的条件与特点，有利于实验后的归纳和总结。

2.实验设计“重点化”

数字化实验由传感器、数据采集器代替实验者的手和眼进行数据的读取和记录，能够实现实时统计、实时处理和实时分析的实验过程，帮助高中学生摆脱了烦琐的计算过程，能够将实验数据的变化过程通过“待测物理量→时间”的图像进行直接显现，能够帮助实验者直观地观测出物理量之间的变化。传统的高中物理实验模式会因为手工作图的不精准而导致实验失败，数字化实验的引入能够有效规避这个问题，能够让学生将重点放在实验设计、实验探究、实验分析上，从而帮助学生通过实验更好地理解实验概念，掌握实验规律。

3.数据采集“智能化”

数据采集的“智能化”具体表现在“自动化”“实时化”“并行化”“定量化”四个方面。数据采集器可以自动将实验过程中的物理量变化进行记录并保存在数据文档之中，并且由于数据采集器的及时记录，可以附加一些器材，通过实验的回控帮助实验操作过程实现“自动化”;DIS实验数据搜集迅速、数据传输迅速、数据储存迅速、数据显示迅速等实现了数据变化过程与实验过程的同步，所以数字化实验具备“实时化”特点;数据采集器能够接入四只相同传感器或不同的传感器，达到同时采集到多个相同或不同的物理量，达到数据的同步并行;DIS实验传感器精准度极高，所以在实验过程中所产生的误差较小，数据的定量显示使高中物理实验的结果更具备严谨性和可信性，有利于高中学生理解物理实验的本质。

4.数据处理“智能化”

数据处理“智能化”具体表现在“实验重演智能化”“数据整合智能化”“创建报告智能化”三方面。“实验重演智能化”是将每个实验的配置、传感器的设置的模板储存在硬盘中，并且将每次实验的数据进行保存，DIS实验系统中提供了实验回访的功能，通过实验的回访与重演，高中学生可以将实验过程随时定格、随意缩放实验图线，达到随时回忆和复习实验过程的目的;“数据整合智能化”中由于数据的自动整合使处理数据的关键环节，学生需要通过数据的整合找到物理实验的概念和本质;“创建报告智能化”是指数字化实验系统中可以创建实验指导报告文档、数据处理分析文档等，电子文档的储存也方便学生在后期的实验和回顾过程中多次修订，便于学生之间的交流沟通。

5.教学过程“现代化”

教学过程“现代化”分为“教学手段现代化”和“教學方式现代化”。所谓“教学手段现代化”是数字化实验系统与传统实验系统相比，传感器具备品种多样、技术新颖、功能强大、发展迅速、性能可靠等优势，而传统的物理实验器材较为单一，以电流表、电压表、弹簧秤、水银温度计为主体，DIS实验则由电流传感器、电压传感器、温度传感器和力传感器等，高中物理教师利用数字化实验设备能够带领学生向传统实验发起挑战，利用数字化设备创设情境能够有效促进学生思维模式的发展;“教学方式现代化”是由于数字化实验系统是一种现代化的学习认知工具，是知识建构的辅助工具，为了帮助学生适应现代化信息社会，高中教学工作这应该注重培养学生的信息收集能力、数据分析能力和数据处理能力，而数字化实验能够遵循学生的真实实验感官，实现信息技术与物理学科的整合，能够有效转变学生的学习方式，提高学生的实践能力，培养学生的创新精神。

二、数字化实验在高中物理教学中的应用现状

（一）高中物理课堂使用率不高

经过笔者了解发现虽然部分高中学校已经引进了数字化实验系统，但是在高中物理实验过程中的使用频次却不高。究其根本是因为高中物理教师习惯运用传统的物理实验教学模式开展实验课程，并且由于部分高中物理教授的年纪较大对新时代背景下的新兴科技技术操作不熟练，不愿去学习数字化实验系统的运用和操作。即使在高中物理教学课堂中运用了数字化实验系统，但是仍是由高中物理教师进行操作，学生观摩为主，很少有机会参与其中。除此之外，由于客观条件的限制和高中物理教师对数字化实验系统的认知不足，限制了数字化实验在高中物理实验教学课堂的使用。

（二）教师未能正确认识数字化实验

经过笔者对周围高中教师的调查了解发现普遍高中教师对数字化实验系统给予了高度评价，但是由于客观因素的影响，高中物理实验课堂教学的使用率较低。例如在日常教学过程中，高中物理教师和学生深受应试教育理念的影响，所以开展教学过程中为了加快教学进度，使用传统的实验教学方式将教学提纲中的实验做完。另外，由于部分高中学校的数字化实验系统设备较为陈旧，所以使用率也不高，只在公开课等重要场合才会投放使用。经过了解，发现部分教师认为数字化系统能够快速得到实验数据，但是不利于提高学生的动手实践能力，对取得优异的成绩帮助不大，所以未能积极运用数字化实验系统。基于此，得知导致数字化实验系统使用率不理想的原因是教师未能正确认识数字化实验系统且对数字化实验系统有认知偏差。

三、数字化实验在高中物理教学中的应用探析

（一）提高实验完成率

以人教版高中物理《牛顿第一定律》为例，教师在教学过程中要明确“理解力和运动的关系”“理解牛顿第一定理，了解其逻辑推理结果，不受理的物体是不存在的”等教学目标，利用数字化实验系统，在实验系统中进行设置，设置小车，使其处于静止状态。由外力推动车辆行驶，推动则小车行动，不推动则小车静止，由此得知力的作用在物体上物体才会产生运动，若没有力在物体上则物体不会运动。高中物理老师在进行实验教学过程中，许多实验现象和实验数据都是转瞬即逝的，很难让实验者充分观察，例如讲解电流大小和方向时，实验数据是瞬息万变的。所以实验数据掌握的不及时能够造成学生对知识点理解的误解，运用数字化实验系统进行教学后能够将抽象的实验现象转化为可反复观察的实验数据。DIS实验系统的运用既充分展示了实验现象，又帮助学生掌握了实验规律。

（二）提高实验数据有效性

高中物理实验教学过程中要注重实验数据的精准性，避免实验误差的出现。避免实验误差的方式有两种，一是提高实验仪器、实验手法的精准性，二是找出更符合实验教学理念的实验设计思路。在数字化实验系统的手法中，传感器的测量精准度远高于传统实验仪器，例如在进行力的大小测量实验中，传感器设备能够精准到10N，这在传统的实验仪器中是无法做到的。另外由于部分学校实验条件的不足导致教材中的部分实验无法进行实机演示，在讲解牛顿第二定律的知识点时，力与反作用力的实验在传统物理实验教学课堂中只能做定性分析，而数字化实验系统能够充分将定性分析转化为定量研究，提高了实验数据的有效性。以人教版高中一年级物理《超重和失重》一课学习时，高中物理教师将结合超重、失重现象，利用牛顿第二定律分析其原因，并利用数字化实验了解完全失重现象。在正式实验开始前，高中物理教师通过视频引导学生进行阅读教材中航天员的乘船感受，在脑海中理解到超重与失重概念，继而开展实验操作，从而能够帮助学生利用实验效果与理论相结合的方式深化物理知识概念。

（三）开阔实验范围

数字化实验设备拥有精准性高、适应能力强等优势，所以在高中物理实验课程中运用数字化实验系统能够帮助教师将存在于教材中的是演变为可视化、可操作性的实验过程，从而帮助学生拓宽实验范围。例如高中物理进行瞬时速度概念的学习时，传统的实验教学受限于实验设备、实验场地等，所以学生对这一知识点理解较为片面，而数字化实验系统的运用能够将传感器充分运用帮助学生进行物体瞬间速度的测定于认识。例如在学习高中物理《力的分解》一章节时，教师运用数字化实验系统进行实验，首先学生在教师的引导下将物体进行斜上方拉动，观察起作用效果，然后利用小车代替，模拟拉箱过程，用塑料板扩大小车运动范围后，教师打开电子秤的电源，让学生进行读取并记录数据。运用数字化系统的手段进行实验，观察物体受到斜向上的力作用后，根据数据反馈进行标记，进一步培养学生的观察能力、探究能力。

结语

综上所述，数字化实验是帮助高中物理实验课堂教学快速发展的因素，更能够在新时代背景下促进物理教学的革新，培养学生综合能力的重要手法。所以广大高中物理教学工作者应该积极转变自身教学观念，积极学习当代数字化实验系統，利用数字化实验教学手法增强学生的感知能力，培养全方位的物理型人才。

【参考文献】

[1]郑亮.数字化教学资源在高中物理教学中的应用策略研究[J].新课程，2020（15）：158.

[2]王刚.数字化实验在高中物理力学教学中的应用策略[J].教育实践与研究（B），2020（1）：57-62.

[3]常志伟.应用数字化实验平台优化高中物理教学实践研究[J].高中数理化，2019（12）：45.

[4]方丽.数字化探究实验室在高中物理学科实验教学中的应用研究[J].当代教育实践与教学研究，2019（8）：18-19.

[5]杨凤楼.数字化实验在高中物理教学中应用的调查与思考[J].湖南中学物理，2018，33（7）：52-54.

（作者单位：甘肃省兰州市第六十三中学）