DNS数字化物理实验毕业论文.doc

本科毕业论文（设计）题 目_ 学 院 _专 业 _年 级 _学 号 _姓 名 _指 导 教 师 _成 绩 _ 年 月 日 目录1引言1矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。1.1研究背景1聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.2研究现状2残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.3研究内容3酽锕极額閉镇桧猪訣锥。1.4研究意义3彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。2数字化实验系统介绍5謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。2.1数字化实验系统在国内外发展现状5厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2.2数字化实验系统的构成7茕桢广鳓鯡选块网羈泪。2.3数字化实验系统的特点8鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。3数字化实验系统与传统实验设备的比较11籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。3.1数字化实验系统与传统实验设备在“硬件”方面的比较11預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。3.1.1实验设备比较11渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。3.1.2误差比较11铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。3.1.3实验时间比较11擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。3.1.4投入资金比较12贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。3.2数字化实验系统与传统实验设备在“软件”方面的比较12坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。3.2.1知识与技能维度的比较12蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。3.2.2过程与方法维度的比较14買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3.2.3情感态度与价值观维度的比较14綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。4应用数字化实验平台优化整合高中物理实验教学16驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。4.1实例1：牛顿第二定律16猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。4.2实例2：动量定理19锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。4.3实例3：探究通电螺线管内部的磁感应强度大小分布规律22構氽頑黉碩饨荠龈话骛。4.4实例4：探究最大静摩擦力与滑动摩擦力间的关系29輒峄陽檉簖疖網儂號泶。5应用数字化实验平台优化高中物理实验教学策略31尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。6结束语32识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。参考文献32凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。攻读学士学位期间发表的论文和指导的论文33恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。1发表的论文33鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2指导的论文33硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。致谢34阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。应用数字化实验平台优化高中物理实验教学的研究*西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715摘要：在深刻变革的知识经济时代背景下，数字化实验系统顺应了新一轮基础教育课程改革的趋势，拓展了物理实验的深度和广度，开创了物理实验教学的新天地。本文在文献调查的基础上，主要对数字化实验系统的国内外发展现状、硬件结构及特点进行了阐述；从三维目标视角下对数字化实验与传统实验进行了系统的比较研究，进而对利用数字化实验系统改进、拓展传统实验的途径和方法进行了探讨；提出了应用数字化实验平台优化高中物理实验教学时要以先进的教学理念为指导等优化策略，对加强和改进高中物理实验教学具有一定的借鉴作用。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。关键词：高中物理；数字化实验；优化整合；实验教学The Study of High School Physics Experiment Teaching Using Digital Experiment Platform釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。*School of Physical Science and Technology, Southwest China University, Chongqing 400715, China怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。Abstract: In the era of knowledge economy background, the digital experimental system conforms to the trend of new basic education curriculum reform, expanding the depth and breadth of physics experiments, creating a new world of physics experiment teaching. Based on the literature survey, this paper mainly describes the development status as well as structure and characteristics of digital experimengtal system; the paper conductes a comparative study of the digital experiment and the traditional experiment from the three-dimensional perspective, and then on discusses the ways and means to improving and expanding traditional experiments by using digital experimental system; proposing tactics for application of digital experiments to optimize high school physics experiment teaching, which is to strengthen and improve high school physics experiment teaching with references.谚辞調担鈧谄动禪泻類。Key word: High School Physics; Digital experiment; Optimization and Integration; Experiment teaching嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。1 引言1.1 研究背景自上世纪90年代进入知识经济时代以来，信息技术深刻改变着人类社会的生产生活方式。难怪英特尔公司前总裁葛鲁夫如此强烈地感叹：“在当今世界，一切能做到的，终将做到。技术的力量不可阻挡，无论人们在前进的路上设置何种障碍，它将仍然会继续发展。一切信息均以数字方式传递，一切信息均能以数字存储。我们现在正朝着正确的方向前进。数字化信息必将永存！”熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。伴随着信息技术日新月异地发展，社会对人才的培养要求越来越高，传统化教育正在向信息化教学方向转变。世界大多数国家已经意识到教育正逐步成为未来社会发展的原动力，相继掀起了新一轮教育改革浪潮。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。2001年，我国启动了新一轮（第八次）基础教育课程改革。其改革步伐之大、速度之快、难度之大是前七次改革所不可比拟的。新一轮基础教育课程改革更加追求每位学生的全面发展，更加追求学生主动地获得生动活泼的发展，更加追求学生生命活力的展现，更加注重沟通生活世界与科学世界。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。教育部印发的基础教育课程改革纲要（试行）（教基200117号）指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进现代信息技术与学科课程的整合”。普通高中物理课程标准（实验）指出：“加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想”“高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。”新课程物理教学大纲指出：“重视将信息技术应用到物理实验，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果”。全国多个版本的高中物理教材在多个章节介绍了利用数字化实验平台采集数据（表1），利用计算机处理数据，能够更加清晰、明确地展示现象、揭示规律。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。国外发达国家如美国、加拿大、英国、日本等国家，在上个世纪八九十年代就已经把逐步将数字化引入课堂教学中。与国外发达国家相比，我国确实是落后了很多，但中国正在这方面奋勇直追。我国从2002年开始逐渐在物理学科教学中运用数字化实验，经济发达的长三角、珠三角、环渤海地区，已经从传统实验方式逐步过渡到数字化实验方式。资金投入巨大的基于数字化信息系统的高中物理实验教学研究在上海、江苏、山东、北京、广州等地已经开展了十多年，成果斐然，所采用的实验设备、实验内容、教育理论已基本与国际同步。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。表1 人教新课标高中物理教材使用DIS实验情况统计Tap. 1 Peoples Education Publishing House new high school physics textbook using DIS Statistics序号教材栏目实验页码1必修1做一做借助传感器用计算机测速度P232必修1用传感器探究作用力与反作用力的关系P823必修2用传感器和计算机研究平抛运动P14-154选修3-1用传感器观察电容器的充放电P325选修3-1用磁传感器研究磁场P896选修3-2用电流传感器演示自感对电路中电流的影响P237选修3-2用电压（流）传感器演示电压（流）波形P318选修3-3用传感器和计算机探究气体等温变化的规律P199选修3-4用传感器和计算机描绘简谐运动的图像P410选修3-4用光传感器做双缝的干涉实验P5811选修3-4用光传感器做单缝的干涉实验P6012选修3-4用传感器和计算机观察振荡电流P7913选修3-5用传感器测量放射性P75注：统计的教材版次为2010年4月第3版1.2 研究现状中国数字化实验掌门人冯容士带领的团队开启了国内实验教学的数字化时代，紧跟教育教学的现实需要和时代趋势，开发了以力传感器、位移传感器、微电流传感器、磁传感器等的一系列数字化实验器材，取得了丰硕的成果。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。将信息技术整合于中学物理课程中是新课改以来的重点研究领域之一，在中学物理实验教学中运用数字化实验平台是其具体的表现。基于数字化信息系统的高中物理教学研究从多个角度进行：挤貼綬电麥结鈺贖哓类。（1） 对比研究传统实验和数字化实验，利用数字化实验系统改进传统实验，将传统实验和数字化实验优化整合于物理教学实践中。关于中学物理教育全国有影响力的几大期刊（物理教师、中学物理教学参考、物理教学探讨、中学物理、物理教学等）经常刊载应用数字化实验的教学案例。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。（2） 以现代教学技术理论为指导，从现代教学理念的角度，研究数字化信息系统的特点，深入分析数字化信息系统的构成要素、技术特征和在教育教学中的地位和作用。以中国数字化实验掌门人冯容士为代表的从事教育技术装备研究的专家、学者在不断探索适合中国国情的数字化实验发展道路，致力于改进、完善数字化实验产品在硬件和软件上的不足。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。（3） 研究数字化信息系统在中学物理教学与实验中的功能，如数字化实验与研究性学习的结合、数字化实验与验证性实验的结合、数字化实验与探究性课堂教学的结合。在物理教学等几大期刊上可以找到很多这方面的研究。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。（4） 专门为数字化实验开发校本教材，设计应用数字化信息系统的具体案例。随着我国课程教材体系的改革，像长三角、珠三角、环渤海等一些经济、教育比较发达的地方和各地区顶级中学在开发适合本地区或本学校情况的数字化实验校本教材。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。总体比较而言，目前对数字化实验系统在高中物理教学中的研究基本没有在三维目标视角下进行系统研究，另外对运用数字化信息系统优化拓展课外物理教学的实践研究显得薄弱些，有待进一步完善。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。1.3 研究内容本课题希望在文献调查和教学实践的基础上，总结出数字化实验系统的优势及如何更好地应用数字化实验平台优化高中物理实验教学，因此需主要在以下几个方面进行研究：骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。（1） 数字化实验系统构成及其特点介绍（2） 传统实验方式和数字化实验方式三维视角下的对比研究（3） 应用数字化实验平台优化高中物理实验教学的典例与策略研究的主要内容在于：尝试在从三维视角下对比研究数字化实验系统与传统实验方式，以及在课外物理教学中应用数字化实验系统方面进行初步的研究。这也是本研究比较创新的地方。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1.4 研究意义自然科学由于其自身客观、量化等特殊性，使得人们在实践研究中离不开技术设备的支持，特别是现代化的实验设备。而中学物理实验最大的不足就是缺少量化的、直观的结果。很多时候，在概念、规律等知识讲授中掺入了人为的“理想化分析结果”。将基于现代信息技术的数字化实验系统应用于高中物理实验教学，首先可以从量化和客观两个方面减少或解决这种“尴尬”；其次，还能突破传统实验领域的限制，为学生改进学习方法、培养创新意识、提高探究能力创造了强有力的物质条件，开创高中物理实验教学的新天地；最后，体现了现代信息技术与物理课程的整合的时代要求和教育趋势。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。本课题希望通过在对比研究数字化实验系统和传统实验方式的基础上，总结出如何在先进教学理念指引下更好地应用数字化实验平台优化高中物理实验教学。以期避免将数字化实验系统和传统实验方式对立起来：片面强调数字化实验系统的优点，而抛弃传统实验方式；或固守传统实验方式，对数字化实验系统嗤之以鼻。这将对我们在教学中具体实施新课程标准有很大的参考意义，同时更有利于培养学生的终生发展的兴趣和能力。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。42 数字化实验系统介绍现阶段，关于数字化实验系统的概念，大多数学者均是从其结构组成的角度进行狭义的定义，它是指由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。作为信息技术与传统实验整合的重要载体，它依托传感器技术和计算机平台，集实验数据采集、显示、分析、处理于一体，兼容传统实验教具、替代多种仪表，是理科实验教学平台。数字化实验系统实现了从单一仪器到数字化多功能集成系统的飞跃，提供了一整套解决方案。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。2.1 数字化实验系统在国内外发展现状国外在数字化实验的开发方面，起步较早，技术也比较成熟。美国的PASCO公司、Vernier公司、德州仪器公司，英国的Pico Technology公司生产的数字化实验产品应用较为广泛。除此之外，较为著名的公司还有以色列fourrier公司、韩国数字株式会社。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。图1 国外著名数字化实验产品公司Fig. 1 Famous foreign digital experiment products company詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。美国PASCO公司是美国最大的教育实验仪器制造商，提供物理、化学、生物、科学、环境、工程实验等课程使用的传感器、数据采集器接口和配套软件，构成一个基于计算机和网络应用的新一代数字化实验系统的整体解决方案。它生产的先进的教学仪器已被世界上很多国家的中学和大学广泛使用PASCO公司的产品，我国香港地区几乎所有的中学和大学都采用PASCO公司的实验教学产品。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。目前国内数字化实验产品处于起始阶段，专门从事为教育领域开发数字化实验的公司主要有山东远大网络多媒体有限责任公司、上海华师京城高新技术股份有限公司、北京友高教育科技公司、宁波GQY视讯股份有限公司等。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。山东远大网络多媒体有限责任公司研发的朗威数字化信息系统实验室开启了国内实验教学的数字化时代，该产品已被编入人教版、沪教版和粤教版等国内多家新课标物理教材，成为信息技术与物理教学理念整合的优秀载体。上海华师京城高新技术股份有限公司是我国教育信息化整体解决方案的领先提供商，其生产的产品包括虚拟实验室、仿真实验室、数字传感器实验室三大系统，这三大系统构成了全方位的数字化实验室，可以满足各学科实验教学的各种需求。北京友高教育科技公司隶属于北京师范大学产业总公司教育技术研究所，其生产的友高数字化实验室是一整套新型的数字化教学设备，它为实验教学提供了一个开放的平台。宁波GQY公司针对国家二期课改，与国家教育部教学仪器研究所合作研发的GQY-eLab系列产品，主要适用于教育系统的物理、化学、生物以及相关探究性实验。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。图2 国内著名数字化实验产品公司Fig. 2 Domestic famous digital experiment products company稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。就产品质量和设计而言，国外品牌要远远好于国产品牌，但在价格上，国产的基本上是进口的1/3左右，并且所有的实验设计与教学大纲高度吻合。进口的美国品牌PASCO凭借其出色的拓展实验能力和优良的质量，成为高端市场的霸主。在所有国产数字化实验设备中，山东远大的朗威由于有与上海市教委合作的先天优势，其产品市场占有率最高。本文主要应用朗威数字化信息系统实验室来研究优化高中物理实验教学的问题。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。2.2 数字化实验系统的构成朗威数字化信息系统实验室（简称朗威DISLab）由传感器、数据采集器、软件和配套实验器材构成（图3）。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图3 朗威DISLab系统构成Fig. 3 The constitution of Llongwill DISLab system 注：1：传感器2：数据采集器3：软件4：配套实验器材钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。（1） 传感器：将非电学量转化成电信号，并将电信号传递到数据采集器，是数字化实验的核心部件。其测量精度、性能与使用效果均达到先进水平。教学中常见的传感器包含位移传感器、力传感器、电流传感器、微电流传感器、电压传感器、压强传感器、温度传感器、声波传感器、磁传感器、光电门传感器等，如图4所示。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。（2） 数据采集器：采集来自传感器的数据，并传给计算机平台，是传感器和计算机平台之间的转换器，如图5所示。图5 数据采集器Fig. 5 Data collection图4 传感器Fig. 4 Sensors謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。（3） 软件：并行双软件系统，包含教材专用软件和教材通用软件。其5.0版包含21个专用软件，目前教材专用软件有不断扩展的趋势。通用软件采用了国际通行的主流工具软件（如Adobe Photoshop、VB、VC等）的设计风格，可完成物理量的显示、数据记录与计算、组合图线分析等教学任务，如图6所示。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。（4） 配套实验器材：如多用力学导轨、向心力实验器、环形线圈、螺线管等完成实验所需要的仪器，如图7所示。图6 软件界面Fig. 6 Software Interface图7 配套实验器材Fig. 7 Supporting experimental equipments莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。2.3 数字化实验系统的特点作为全新的软硬件一体化的数字化实验系统，非常鲜明的具有传感器多类型、数据采集器多通道、自主操控平台多样化的特点，实现了实验手段数字化、测量实时化、现象规律可视化、操作简单化，替代和超越了传统观实验装置和仪器仪表，大幅度提高了实验质量与效率，显著扩展了学生的实验操作空间。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。图8 地磁场变化产生微弱感应电流Fig. 8 A week induced current created by the change of Earths magnetic field1、 在数据采集环节，能够自动、连续、快捷地采集数据，能够检测到信号量的微小变化和瞬时变化，大大扩展了研究范围。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。（1） 微小变化量的采集例如，在人民教育出版社出版的高中物理新课标教材选修3-2第四章第2节“探究感应电流的产生条件”有个“做一做”栏目摇绳能发电吗，这个实验要取得成功比较困难，但用朗威DISLab则很容易达到明显的实验效果。采用微电流传感器、带屏蔽的多匝实验线圈等实验器材，可以轻松采集到微弱地磁场的磁通量变化时产生的微小感应电流（图8），并且可以通过实验发现：当实验线圈平面与地磁场垂直时转动线圈，产生的感应电流比较大。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。图9 瞬时速度的测量Fig. 9 Measure the instantaneous velocity（2） 瞬时数据的采集灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。例如，传统实验一般是运用打点计时器每隔0.02s在纸带上间接记录物体的位置，进而再对纸带进行处理计算物体在某段时间间隔内的平均速度，但采用朗威DISLab位移传感器及其相应器材可以更高频率直接实时记录物体的位移和瞬时速度，如图9所示。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。（3） 暂态数据的采集稍纵即逝的瞬间，也包含着丰富的物理图景。将这短暂的过程清晰呈现，传统实验设备就无能为力了。应用数字化实验系统，则可以打破这一瓶颈。例如，在讲解电容的充放电的时候，很多学生难以理解“断路”也有电流。为突破这个教学难点，不少老师尝试用比较灵敏的电流计来演示，可是依然难以让现象非常明显可观。采用微电流传感器，则可将瞬间变化的微电流异常细微地展现出来，如图10所示。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。图10 电容充放电过程Fig. 10 Capacitor charging and discharging process电容充电电容放电趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。2、 在数据处理环节，自动智能处理数据以及绘图，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，显著提高了实验结果精确度和实验效率。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。例如，在探究物体的加速度a与物体的质量m、物体受到的合外力F间的关系时，运用传统实验手段则会花大量是时间对纸带进行处理计算物体的加速度，但直接运用朗威DISLab中的教材专用软件牛顿第二定律，则可避免简单、机械、繁琐的数据处理过程，从而将更多精力集中在研究a与m、F间的关系，不仅提高了实验精确度，更提高了效率。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。3、 在观察环节，实时显示、直观、明显，极大扩展实验的可视性和可重复性。例如，采用朗威DISLab中的教材专用软件从v-t图求加速度，点击“开始记录”后，窗口会实时显示物体的速度随时间变化的动态曲线，如图11所示。又如，突破牛顿第三定律的教学，采用朗威DISLab力传感器等实验器材，则会更直观明显地表明相互作用力等大方向的特点，如图12所示。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。图11 实时显示速度Fig. 11 Real-time display speed图12 实时显示力Fig. 12 Real-time display fore緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。153 数字化实验系统与传统实验设备的比较传统实验是相对于数字化实验而言的，其实验设备沿用了近代物理学中的经典仪器。像游标卡尺、天平、直尺、温度计等都使用超过了100年，而打点计时器、电压表等设备也有数十年的历史。除此之外，其最鲜明的特点就是将日常生活中的常见物品应用到其中。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。3.1 数字化实验系统与传统实验设备在“硬件”方面的比较3.1.1 实验设备比较数字化实验中所用到的设备绝大多数是以20世纪前沿科技作为技术理论支撑、20世纪下半叶得到实际应用的具有较高科技含量的装备，其中包括：微型计算机、传感器、数据采集器和软件。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。传统实验中所用到的设备，绝大多数是以18、19世纪的物理学知识作为理论支撑、使用了几十年甚至上百年的老式装备，其中主要包括：秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、温度计等。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。显然，数字化实验设备没有传统实验设备丰富，其配套实验器材之间的重新组合不是很特别自由，改进的空间依然很大。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其优势填补了传统实验中诸如微小量、瞬时量测量等多个空白，实现了数字技术与物理实验教学的有效整合。这预示着数字化实验具有很强的拓展性，承传并发展了传统。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。3.1.2 误差比较实验误差分为系统误差和偶然误差。传统实验中绝大部分数据需要人工读取、记录，由于人的感觉器官能力的限制，如照准、估读、记录之类的偶然误差是必然存在的，且在整个实验误差中占了相当大的比例。而数字化实验可以自动采集实验数据，因而基本消除了偶然误差。产生系统误差的最主要原因是测量仪器本身的原理、结构、材质以及元件响应度等因素引起，总的来说，数字化实验系统的系统误差明显小于传统物理实验设备的系统误差。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。3.1.3 实验时间比较一般情况来说，传统实验需要占用比较多的课堂时间,尤其是量化的数据测量和数据处理时，紧张的时间往往成为制约实验教学设计与实施的最大瓶颈。运用数字化实验系统则可以在很大程度上提高数据采集、处理、分析的效率。除了必须要缓慢变化的实验之外，比如气体定律的实验，大多数实验从完成的速度来看，数字化实验手段所用时间要远远少于传统实验手段所用的时间，这为中学物理的实验教学打开了一片新天地。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。3.1.4 投入资金比较整个数字化实验室建设的费用在35万左右，其中数字化传感器的费用在12万左右，其他电脑多媒体和实验室改造的建设费用在23万左右。整个数字化实验室及设备的费用是传统实验室的7到8倍。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。面对昂贵的建设费用，中学对此的投资比较慎重。在重庆市第十一中学实习期间，指导学生参加重庆市第三届科技小论文大赛时，本来学生的有些想法是非常适合开展实验进行探究的，可惜没有数字化实验设备，难以有效开展实验。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。此外，数字化实验系统的维护成本高。一方面，由于数字化实验装备属于精密仪器，在使用的过程中容易被损坏；另一方面，信息技术的高速发展导致仪器的更新换代速度加快，几年的时间里原来的实验仪器就会老化，精确度降低，这些都会导致数字化实验系统的维护成本高。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。3.2 数字化实验系统与传统实验设备在“软件”方面的比较新课程改革强调从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度全面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。因此，在实验教学中也需在这三个维度比较数字化实验系统与传统实验设备的异同。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。3.2.1 知识与技能维度的比较3.2.1.1 物理学基础知识学习不管是传统实验，还是数字化实验，都有助于学生认知、理解、掌握高中物理中的基本概念和规律。与现代信息技术密切结合的数字化实验系统，在帮助学生认知、理解、掌握物理概念和规律上明显优于传统实验。首先，数字化实验系统可以实时动态地采集数据，在分析动态问题上具有不言而喻的优势。其次，数字化实验系统测量精确、快速，操作灵活、简便，易于发现或验证有关物理量间的关系，对定量研究物理学规律非常适用。第三，由计算机代替人脑对数据进行处理，避免了繁琐的计算或作图过程，从而有更多的时间、精力用于研究掌握物理学规律上。最后，实验误差小，从而使物理学规律的发现或验证更具严谨性和可信度。从而让学生开阔了视野，突破了认知知识方面的某些局限，更清晰全面地认识、理解、掌握物理概念和规律。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。3.2.1.2 物理实验基本技能掌握3.2.1.2.1 观察能力传统实验一般需要多次观察、重复测量，有利于培养学生细致耐心的观察习惯、不厌倦的良好心理品质，从而提高学生的观察能力。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。数字化实验不要求学生了解传感器、数据采集器、计算机等的内部构造，对实验器材的观察少了不少要求，但将学生积极的思维活动寓于现象观察之中，对学生观察图像的能力要求较高。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。两者相比，传统实验侧重于培养细致、认真、耐心等观察习惯，而数字化实验则侧重于培养学生在观察中思考探究能力。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。3.2.1.2.2 合理选择和正确使用仪器的能力传统物理实验十分重视这方面能力的培养。首先要分清仪器的量程，待测量不能超过量程；其次仪器的精度必须符合实验要求；最后还要了解仪器使用的基本要求。对数字化实验而言，这方面的能力要求降低了许多。它只要求学生基本了解各种传感器的使用方法，会选择合适的传感器进行数据的采集即可。至于读数、精度等都由仪器本身来完成。因此，在正确选择和使用仪器能力的培养方面，数字化实验是个弱点。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。3.2.1.2.3 实验过程中的有序操作和排除故障的能力正确有序的实验操作，是完成实验的关键。传统实验需要的测量仪器较多，操作时间较长，实验中容易出现故障，但这有利于培养学生清晰、有序的思维能力及勇于克服困难的坚强的意志品质。数字化实验的操作过程相对简单，体现了实验设计的方便性原则。同时数字化实验系统作为信息采集和数据处理工具，提高了学生使用计算机的操作技能和运用现代信息技术的能力。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。3.2.1.2.4 数据处理过程中的计算、作图能力，数形结合、探索规律、归纳结论的能力传统实验在数据处理方面所花的时间比较长，学生要经过详细的计算或描点作图，才能够根据计算的结果或作出的图象进行分析、归纳、总结，得出结论。因此，传统实验在数据处理过程中，可以充分培养学生的计算能力，作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力。但由于计算过程太过冗长，学生用于探索研究的时间就很少很少。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。数字化实验则正好相反，计算、描点、作图的工作都由计算机来完成，学生的主要任务是根据数据进行探索、研究、推测结论，然后选择合适的函数进行拟合。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。传统实验侧重于培养学生计算、作图、归纳等基础能力；数字化实验则更加侧重于培养学生数形结合能力、对知识和规律的探求能力，数字化实验中的各种函数拟合功能，还有助于培养学生基于信息构建物理模型的能力。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。3.2.2 过程与方法维度的比较3.2.2.1 科学探究过程与科学实践活动的体验基于社会发展对创新人才的需求，培养学生独立设计实验方案的能力及自主探究的创新和钻研能力已在实验教学中占有越来越重要的地位。传统实验由于仪器的简陋，操作的繁琐，一些必要的测量无法实现，限制了学生探究和钻研的深度和广度。数字化实验则为解决这类难题提供了器材和技术保证。数字化实验仪器具有测量范围广、测量精度高、操作简便、数据分析迅速准确等特点，可以达到很高的设计要求。在逐步开展的研究性学习中，数字化实验的应用价值要大于传统实验。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。3.2.2.2 物理学基本研究方法的了解与掌握在物理实验教学过程中，学生总会遇到各种意想不到的“意外”，而这却是学生良好注意力、洞察力、想象力的体现。不少情况下，由于难以从实验基础上解决这些“意外”，事实上制约了学生的发展。良好的注意力、敏锐的洞察力、丰富的想象力，是物理研究也是创造性人才不可缺少的思维品质。历史上许多著名的物理学家就是通过对很多未知现象的洞察、想象，进行大胆的猜测，在此基础上再进行深入的研究总结出规律的。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。传统实验由于过分重视基本技能的培养，学生习惯于按部就班的做实验。再加上实验条件本身的限制，对学生思维的广度、深度及灵活性的培养不够，使学生的想象力得不到充分的发展。因此，在培养学生洞察力和想象力方面，传统实验是有所欠缺的。由于传统实验实验时间一般较长，这是非常有益于培养学生的注意力的。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。而数字化实验独特的数形结合功能，函数模拟功能，以及先进的测量仪器，为优化学习方式、学会学习、倡导自主探究、实践体验和合作交流提供了空间和时间。所谓见多识广，学生思维的广度和深度及灵活性自然会有所增加，从而也会拓展学生的想象空间，增强他们洞察力和想象力。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。3.2.3 情感态度与价值观维度的比较3.2.3.1 培养学生的兴趣、激发学生的求知欲物理实验有助于引导学生从感性认知到理性认识过渡，启发他们认识物理现象、物理问题，以激发学生学习物理的求知欲，从而转化为探索科学知识的持久兴趣和饱满的热情。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。采用数字化实验有助于激发学生学习的动机，使学生更具有探索未知领域的兴趣、情感、意志和毅力等。数字化实验的动态过程与物理规律同时对应，即刻激发学生学习兴趣，有利于探究问题。数字化实验的动态过程营造了一个向未知境界不断探索的学习环境，有利学生学习情感的培养。数字化的动态过程创设了学习的新阵地，使学生了解现代科学技术的新成就。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。3.2.3.2 培养学生良好的科学素养实事求是的科学态度要求学生尊重事实、忠于实验数据。由于自然科学的客观性，自然规律的精确性，导致不少传统实验不能从定量的角度开展研究。而数字化实验由于实验设备先进，使得教师能够在教学形式上从过多的灌输、讲授物理规律转变为引导学生自己去发现、验证物理规律。并且数字化实验具有很强的拓展性，能够更加方便地开展研究型课程和进行研究性学习，给了学生更为广阔的进行自主发展的空间。对培养学生实事求是的科学态度和树立正确的价值观具有积极的作用。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。随着信息技术的高速发展，教育信息化是未来发展趋势。将信息技术整合于中学物理课程中是新课改以来的新变化之一，在中学物理实验教学中运用数字化实验平台是其具体的表现。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。总的来说，我们需要用辨证的眼光审视传统实验和数字化实验，不可将数字化实验和传统实验对立起来：片面强调数字化实验系统的优点，而抛弃传统实验方式；或固守传统实验方式，对数字化实验系统嗤之以鼻。在不同的方面，这两种实验方式的侧重点有所不同。应该依据具体的实验内容和教学目标，选择不同的实验手段，或者取长补短，将传统实验的思想与现代信息技术结合，发挥各自的优势。这将对我们在教学中具体实施新课程标准有很大的参考意义，同时更有利于培养学生的终生发展的兴趣和能力。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。4 应用数字化实验平台优化整合高中物理实验教学基础教育课程改革纲要（试行）指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式，学生的学习方式，教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。运用数字化实验系统改进传统物理实验，是现代信息技术和学科教学整合的有益尝试，应选择有利于发挥数字化实验系统优势的实验，从而使事物和现象“近在咫尺”，使实验过程中的变化“定格驻留”，使瞬间发生的科学变化“一目了然”，使常规实验手段难以完成的实验变得“简单直观”。癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。应用数字化实验平台，可以有效突破实验教学难点，开创物理实验教学新天地，激发学生参与实验的兴趣，提高实验教学直观性、趣味性和形象性，使学生学得活、用得好、记得牢，同时又增强学生的实践体验、积累实践性知识，扩大科学探究的广度、挖掘科学探究的深度，使学生在掌握物理基础知识和技能的同时，提高动手能力、探究问题的能力和创新能力，实现信息技术与物理教学的有效整合。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。4.1 实例1：牛顿第二定律图13 实验装置图Fig. 13 The experimental setup牛顿第二定律实验是人教版高中物理必修1第四章第2节的内容，为探究实验。如用打点计时器等传统实验设备来探究，则会花费大量的时间和精力处理数据以计算出小车的加速度，特别是寻找加速度与质量间关系时，难以将学生积极的思维活动用于探求加速度与力、质量间的关系。引入数字化实验平台不仅可以充分调动学生探究规律的热情，还可以利用其数据处理的优势将更多的时间用于数据分析、规律寻找中，并且高精度的数形结合的关系图线让学生发自内心地信服加速度与力成正比、与质量成反比关系，大大优化这一实验的教学效果。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。1、 实验目的：探究加速度与力、质量的关系。2、 实验原理：用天平测出小车的质量，绳子中的拉力直接依据砝码读出，在轨道上用位移传感器实时测出小车的速度，从而得出小车的加速度，通过改变钩码数量或小车质量，运用控制变量法寻找加速度与力、质量间的关系。逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。3、 实验器材：朗威DISLab数据采集器、位移传感器、DISLab配套力学轨道、DISLab配套力学小车、支架、计算机、天平等。幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。4、 实验装置图：如图13所示。5、 实验操作：（1） 将位移传感器接收模块固定在轨道的一端，连接到数据采集器第1通道；将位移传感器发射模块固定到小车上。（2） 进行摩擦力平衡调整，其步骤如下：1) 点击教材专用软件主界面上的实验条目“从v-t图求加速度”，打开该软件；2) 将小车放到斜面上，打开位移传感器发射模块电源开关，点击“开始记录”，释放小车；3) 调节轨道倾角，重复实验。但加速度接近零时，可以认为小车重力沿斜面的力已与小车和轨道之间的摩擦力平衡，见图14。誦终决懷区馱倆侧澩赜。图15 研究区域内v-t图像对应的加速度Fig. 15 The V-t image within study area Corresponding to the acceleration图14 平衡摩擦力Fig. 14 Balance friction医涤侣綃噲睞齒办銩凛。（3） 返回教材专用软件主界面，点击实验条目“牛顿第二定律”，打开该软件。（4） 在窗口下方的表格内输入小车的质量及拉力数值。（5） 将小车放到斜面上，打开位移传感器发射模块电源开关，点击“开始记录”，释放小车。待小车停止运动，点击“停止记录”。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。（6） 拖动滚动条，将实验获得的v-t图线置于区域中间，点击“选择区域”，选择需要研究的一段v-t图线。（7） 软件窗口下方的表格中自动显示该段v-t图线对应的加速度，如图15所示。（8） 保持小车质量不变，改变拉力，重复步骤5、6，可得到另几组数据。图16 a-F图像Fig. 16 The a-F image（9） 点击“a-F图像”按钮，即得到加速度与拉力关系图线，如图16所示。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。（10） 保持拉力不变，改变小车的质量，重复步骤5、6，得到另几组数据。（11） 点击“a-M图像”按钮，可得到加速度与质量关系图线，如图17所示。（12） 点击“a-1/M图像”按钮，即可得到加速度与质量倒数的关系图线，如图18所示。图18 a-1/M图像Fig. 18 The a-1/M image图17 a-M图像Fig. 17 The a-M image筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。（4） 实验结果：依据图16、图18可知，在误差允许范围内，加速度与力成正比、与质量成反比。（5） 误差分析：（1） 首次平衡摩擦力时，没有完全使重力沿斜面向下的分力与小车和轨道间的摩擦力平衡。（2） 多次实验过程中，可能导致轨道发生移动，打破摩擦力平衡状态。（3） 各个铁块的质量并不是完全相等。（4） 由于小车和轨道间的接触并不是十分稳定，导致小车在运动过程中发射摇摆。（5） 位移传感器发射模块不是十分牢固地固定在小车上的，导致在小车运动中位移传感器发射模块出扰动。牛顿第二定律定量体现了力和运动的关系，在高中物理中居于重要地位。寻找力和运动的定量关系是开展这一节教学的核心内容，应用数字化实验系统改进传统实验方式，无疑可以更好地开展探究。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。选择这一实验的最初想法是打算应用数字化实验来验证这样一个问题：速度相同的不同质量的木块同时制动，它们的滑行距离是一样远的；而速度相同的不同质量的汽车同时制动，依据生活经验可知：质量大的汽车滑行距离远。后面这个例子，在惯性与质量的教学中应用到，但在高中知识范围内，难以从牛顿第二定律的角度予以解释。在实现这个想法的时候，发现存在较大困难，得重新制作一套实验器材，而且要求工艺较高，就放弃了从实验的角度来验证。进而在理论上寻求如何解释描述惯性的物理量就是质量这一问题上，因为这个问题在高中教材上没有予以详细说明。虽然实验失败了，但在理论上找到了惯性与质量间关系的依据，并发表在全国中文核心期刊中学物理教学探讨，且因此文被中学物理教学参考杂志社评为优秀作者。这是本人在研究这个实验过程中的启示与收获。涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。4.2 实例2：动量定理力和运动的关系牛顿第二定律最初是用动量的概念表示出来的，通过变形处理就可以得到动量定理，人教新课标高中物理选修3-5第十六章第2节是这样引出动量定理的，并没有从实验的角度予以验证或探究。首先，不容否定的是严密的知识逻辑。其次，由于运用传统实验设备不便于测量力作用的时间和力的大小，在传统实验器材范畴内难以设计实验验证或探究动量定理。物理学是一门以实验