中学物理实验教学中数字化技术的应用策略

李开生

（甘肃省张掖中学，甘肃张掖 734000）

中学物理实验教学中的数字化技术，主要是指以传感器技术和软件技术为核心的DISlab 实验系统，它包括硬软件在内的多种技术手段，能够将实验过程中获得的模拟信号自动转化为数字信号，有助于克服传统物理实验的诸多弊端。在新时期的中学物理实验中，教师应该大力开发和利用数字化技术，从实验教学的实际需求出发，借助数字化技术的强大功能，对教学模式进行优化设计，拓展学生的探究和实践空间，从而为物理实验教学提质增效。

一、中学物理实验教学中数字化技术的应用优势

（一）实验过程可视化

中学物理实验教学的重点，在于帮助学生直观地了解实验过程，这是学生进行实验分析、建立物理概念的关键所在。然而传统实验受器材和技术的局限，无法清晰地反映那些细微的、瞬间的实验变化过程，无形中造成了学生对实验现象的认知障碍，降低学生对物理概念的理解效度。将数字化技术引入物理实验教学的主要优势是能够实现实验过程的可视化，数字化技术所配备的各类传感器具有敏锐的信号捕捉功能，对于人体感官难以直接察觉的实验现象，传感器都能准确地测得，并实时传送到计算机软件中，如果物理实验中产生了肉眼看不到的现象，或者是变化速度非常快的瞬时值，教师都可以应用数字化技术，在计算机上呈现各种数值和数值的变化情况，从而大幅度提升物理实验过程的可视性，为学生观察和分析实验现象提供基础保障。

（二）数据处理便捷化

在物理实验教学中，数据处理是至关重要的一环，有效的数据处理能够使学生在研讨实验结论时有据可依。但是在传统的实验教学模式下，数据处理的效果并不是非常理想，例如分组实验，每个小组通常要专门调配出一名学生，负责实验数据的读取和记录，导致该学生失去了实验操作和观察的机会。同时，人工处理无法保障数据的精度，需要占用较多的时间，对部分数据甚至难以获取和计算，给实验分析带来阻力。在中学物理实验教学中应用数字化技术的第二个优势是能够实现便捷的数据处理。由计算机自动控制，对于大量的、复杂的实验数据，系统都能在短时间内完成采集和处理，计算机呈现的数据有数字、指针、波形等多种显示方式，系统中还配备数据计算、物理公式库调用等多项功能，教师可以指导学生应用数字化技术系统，生成数据图像，对物理实验进行定性或定量分析，从而提高物理实验数据处理的便捷性［1］。

（三）学生探究自主化

新课改背景下的中学物理实验教学，强调以学生为主体，教师要为其提供充足的自主探究时间和空间。然而从过往的实验教学来看，由于技术水平相对落后，较多的课堂时间都被用于数据采集、物理量关系图绘制等环节，留给学生自主表达、质疑和提问的时间所剩无几，同时严重缩减了学生的实验探究空间，使学生难以获得充分的实验训练。在中学物理实验教学中，引入数字化技术的第三个优势是有助于实现学生探究的自主化，上文谈及数字化技术具有优越的数据观测和图表生成功能，就意味着在传统物理实验中，需要人工完成的烦琐的步骤能够用数字化系统代替，教师可以将节省下来的时间用于组织学生自主设计实验，验证假设，以及对实验原理、物理规律的深入分析，从而有效地利用时间，增强物理实验教学的自主性和探究性。

（四）实践操作多样化

物理实验课是一种实践性非常强的课型，主张学生动手实操。就传统教学而言，学生在实验活动中的实践操作形式比较单一，通常只包括对常规实验器材的组装和操作，而且并不是所有学生都有动手的机会，即便是分组探究，由于很多实验流程无法重复实施，部分学生也只能旁观，难以获得亲身操作的体验，制约学生实践能力的发展。在中学物理实验教学中运用数字化技术的第四个优势是能够给学生提供多样化的实践操作，基于数字化技术的物理实验，不仅包含对实验器材的操作，还涉及对数字设备、计算机软件的操控，各种数字传感器的操作难度不高，学生完全能独立完成。教师可以按照物理实验的要求，指导学生分别进行实验器材的组装，硬件设备的连接，以及软件界面的设置，使每个学生都能动手，充分地参与实验活动，感受不同形式的操作乐趣，从而凸显物理实验的实践导向，彰显数字化技术的独特优势。

二、中学物理实验教学中数字化技术的应用策略

（一）基于数字化技术，制订物理实验教学计划

要想在中学物理实验教学中应用数字化技术，一套健全、完善的教学计划是不可或缺的。数字化技术虽然具备诸多优点，但是在教学中仍然有一定的适用范围和要求，如果教学计划不够合理，数字化技术的应用价值很难充分发挥。教师必须基于数字化技术的功能特点，立足物理实验的课程目标，遵循科学原则和标准，精心制订教学计划，为数字化技术的应用铺平道路。

1.注意数字化技术与物理实验的适配性。教师在制定教学计划之前，应该对物理实验课程内容进行深入分析，明确实验过程及其涉及的数据量，遵循适宜原则，着手实施计划的编制。比如说过程复杂的物理实验，需要测量和采集大量的数据，或是需要多次改变实验条件，这就说明数字化技术在此类实验中是适用的；反之，如果实验的过程非常简洁，依靠肉眼观察就能轻松辨识实验的现象和变化，就没有应用数字化技术的必要，如果强行应用反而会画蛇添足，拖慢教学进度。教师在计划阶段，应当严谨地甄别和判断，以保障数字化技术应用到物理实验教学中的适切性［2］。

2.注意数字化技术与物理实验的互补性。教师在设计教学计划的过程中，必须考虑到数字化实验和传统实验各自的优缺点，明确二者之间的互补关系，结合数字化技术的优势，在合适的实验环节引入，避免数字手段完全替代传统实验。比如在物理实验课题导入的环节，数字化技术的利用空间并不是很大，教师在教学计划中，可以保留常规的导入手段，如情境创设、问题创设等；再如物理实验的实施环节，在现象观察、数据录入和计算等步骤，数字化技术都有很大的“用武之地”，教师可以重点规划这些环节和步骤，力求达到数字化技术与传统实验的有机结合，实现对数字化物理实验教学方案的高质量编制。

（二）利用数字化技术，呈现物理实验隐性现象

现象观察是学生探知物理规律的必由之路，但是在中学物理课程体系中，很多实验现象具有隐蔽、抽象的特点，比如说音色、电流、声波、电磁、压强等，单凭视觉、触觉和听觉，学生无法辨别和测算，直接影响他们对物理实验现象的认知和理解。数字化技术是直观展示物理实验现象的“利器”，它可以把物理实验的变化量转化成电信号，形成清晰的物理图像，对学生认识问题、掌握知识提供非常大的帮助。因此，在中学物理实验教学中，教师应该利用数字化技术，为学生呈现物理实验的隐性现象，促进学生进行有效的观察和思考，进而建立具象的实验认知。

首先，教师应该针对物理实验中看不见、摸不着的现象，选择合适的数字化技术工具，比如说在电学类的实验中，电流和电压的强弱是肉眼不可见的，教师可以选用电压传感器和电流传感器，将它们安置在常规的实验器材上，并与计算机和教室的显示大屏相连。其次，在实际教学中，教师可以搭建数字化实验装置，采用演示实验的方式，在讲台上操纵实验器材和数字传感器，当实验进行到关键步骤，显示大屏上出现各种实验数据的信号图表时，教师要提醒学生认真地观察和分辨，结合学生感官获取的现象，以及数字化系统采集到的电信号，双管齐下，对学生进行现象的讲解，引导学生从不同的表征切入，合作描述自己感知到的实验现象，分析现象的变化规律和成因，使隐性实验现象变得清晰可视，从而突破教学局限，促进学生透彻地理解实验细节和隐藏的原理［3］。

（三）借助数字化技术，开展物理实验合作探究

探究性实验是现代教学的一种模式，主要是让学生经历像科学家一样的探索实践过程，获取物理实验的知识与技能。数字化技术系统配套的设备，具有非常强的可操作性，能够使探究性实验更有效地开展，同时给学生提供协作交流、动手实操的机会。新时期的中学物理实验教学必须注重提高学生的课堂参与度，重视学生在实践中学习。教师应该构建自主、开放的课堂环境，借助数字化技术开展合作探究型的物理实验活动，将互动、思考、实践、创新融为一体，把科学探索的主动权交还给学生，从而发挥数字化技术的探究引领作用。

1.做好数字化实验探究的组织和指导。教师应该从物理实验目标和数字化技术的特点出发，重点锻炼学生自主、合作设计与实施实验的能力。在合作探究开展前，教师根据具体学情，合理地划分实验小组，创设与实验课题有关的导学情境。先让学生组内交流，提出假设或猜想，然后教师提供数字化工具和配套的实验器材，播放预先准备好的视频教程，指导各组学生参考着教程合作进行数字化实验的硬件连接和软件设置。同时结合实验假设，通过互动探讨的方式，严谨地规划实验方案，以及每个步骤的操作顺序和注意事项，随后分配好每个组员负责的工作，根据方案执行和完成实验，从而利用数字化技术，扩大学生在物理实验学习中的合作探究范围［4］。

2.加强学生对数字化技术的自主操控。在基于数字化技术开展物理小组合作实验时，大部分数据处理都是由计算机在幕后完成，包括数据转化、计算、拟合、作图线等，一键出结果虽然很方便，但是也有很多学生想了解数据转换和图线生成的过程，教师应该把部分幕后操作适当地移到台前，让学生对数字化系统的软件界面进行自主操控，增强学生对数字化实验工具的使用能力。比如说某项物理实验需要对物理量进行转换，教师可以指导各小组探讨需要用到的物理公式，然后在软件中自主输入公式，加深对实验物理量转换过程的认知。当实验需要绘制物理图线时，教师可以组织学生合作研讨图线的坐标和标度，根据曲线的形状确定拟合公式，将这些参数和公式输入计算机，得到精准而规范的图线。在这样的合作探究型实验中，学生既享受到数字化技术带来的数据处理便利，独立思考和自主操控的机会也得以保留［5］。

（四）巧用数字化技术，优化物理实验结论分析

结论分析是中学物理实验教学中的重点环节，学生对实验原理和概念知识的理解，都是在结论分析环节实现的。以往教学中的结论分析比较简洁，教师一般是让学生结合实验结果，去检验先前的假设和猜想是否成立，学生思考和研讨的深度不足，很难建立对实验结论的理性认识。数字化技术最终生成的各种图线和图表，能真实而完整地反映实验数据，是学生研讨物理规律的有力依据。因此，在物理实验教学中，教师应该巧用数字化技术生成的图像，把实验测量、实验验证、结论分析紧密地结合起来，强调从过程到结论的全面探讨，从而实现定性实验向定量实验的转变，切实弥补结论分析环节的不足。

在物理实验的结论分析阶段，教师可以把数字化软件中所记录的各种表格和波形图，集中呈现在显示大屏上，给予学生多维度的数据体验。如果图像中反映出多个物理量的变化，教师还可以设置数据拟合图像，用不同颜色的曲线帮助学生清楚地区分不同的物理量，引导学生把数据和图像结合起来，从定量的角度出发，根据每条曲线的高低起伏变化，讨论、分析物理量之间的相互影响关系，回顾之前的实验猜想和操作过程，用自己的语言归纳结论，在结论中详细地说明实验所反馈的原理和规律，实验目的是否达成，以及本节知识点与其他物理理论的联系，从而起到巩固认知的作用，达到数字化技术在中学物理实验教学中全面贯彻的目标［6］。

三、结语

数字化技术在中学物理实验教学中的应用，是一项创新的改革举措，能够实现实验过程可视化、数据处理便捷化、学生探究自主化以及实验操作多样化，其教学优势是传统实验手段无法企及的。教师应该考虑物理实验教学和学生的实际需求，秉承融入和互补的原则，基于数字化技术制订新型实验教学计划，以呈现隐性的实验现象，帮助学生更好地开展合作探究型实验，补足实验结论分析环节的缺陷，推动物理实验教学的数字化发展。