中学物理实验教学的意义及研究实践

中学实验教学的数字化似乎成了一个趋势，各校都在争取得到这种实验条件，并将这样的实验室命名为“创新实验室”。我们在此不对其意义下定论，只是将教师们对DIS（数字化信息系统）实验的看法、认识开列如下，最后做一个客观的分析。

第一，从初中物理课堂教学的部分案例中可以看出，DIS实验主要用于设计实验、处理实验数据这两个环节，而确定实验步骤、选择科学方法、记录物理量、分析图像和数据等环节，则是物理教学中基本的要求和目标。DIS实验给教师的教和学生的学带来了很多有益的、根本性的变化，但是传统实验具备的一些优点也很突出，有些传统实验用DIS也是无法完成的，所以传统实验也没有必要完全退出，两者各有所长。为了使物理实验课堂教学的有效性更加突出，两者可以取长补短，相得益彰，在今后的一段时间内必将形成DIS实验与传统实验并存且互补的局面。

第二，在学生对于传感器、数据采集器、计算机编程语言和图像模拟等方面的知识零储备的背景下，数字化实验中数据信息的获得和处理涉及的信号发射、接收、输入、处理、显示等一系列复杂的过程，超出中学生的认知能力，加之个别教师对数字化实验软硬件系统的了解程度不深、数字化实验相关资料匮乏等重要因素，对于学生而言，DIS实验虽然如此神奇，却难免显得神秘，数据的获得和处理过程犹如“暗箱操作”。笔者认为，学生对一个陌生物理规律的习得，必须建立在其坚信这一习得过程的严谨性、科学性的基础之上，他们对一个物理内容的理解程度也必将受到对相关内容构建过程中所涉及的事件的理解程度的影响。DISLab系统的神秘性，一定程度上影响了实验教学功能的实现。

DISLab系统的过度智能不利于学生部分重要基础能力的培养。DISLab进入中学课堂伊始，不少师生就将其定位为“傻瓜机”，当然，这是一种有失客观的评价，但毋庸置疑，过多地依赖DISLab对于实验数据的智能采集、智能处理，必将弱化很多传统实验课堂所关注的学生对于多用表、游标卡尺、螺旋测微计、打点计时器等大量经典仪器的操作能力，以及数据记录、运算、作图和归纳等基础能力的培养。优秀的传统实验却恰恰具备了设计巧妙、过程明了、现象简洁直观、能够有效培养学生基础能力等功能特点。

第三，综合而言：在知识构建方面，传统实验在诸多物理规律的定性展示和探究方面见长，而DISLab在物理量的定量测量、动态的过程分析方面有着不可替代的优势；在能力培养方面，DISLab将新技术元素融合于物理实验课堂，改变了课堂时间的分配结构，为学生探究质疑能力的养成赢得了更多的时间，不过在教学实践中，由于受到很多因素的影响，这些能力培养的实效性差强人意，而传统实验能够有效地提高学生计算、作图、归纳等一些重要的基础能力；在情感、态度与价值观方面，DISLab融合了计算机、传感器等当代较为先进的科技元素，加强了物理课堂与科技社会的联系，而传统实验则更为本真地保留了物理规律获得的探索历程。不论是传统实验还是数字化实验都各有优势和不足，在教学实践中绝不能将它们置于对立面，只有基于两种实验各自的特点，紧扣实验的教学目标，充分认识并开发两种实验的教学功能，协调互补，才能更为有效地实现教学目标。

第四，我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。2003年新公布的《普通高中物理课程标准（实验）》对信息技术与物理课程整合提出：信息技术要进入物理实验室，即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。中学物理新教材中的一些演示实验和“做一做”等栏目也出现了数字化实验系统应用的案例。基于传感器和计算机技术的数字化实验系统为实现学习方式的多样化，引导学生自主探索研究，进行广泛的体验、合作和交流提供了时间和空间，DISLab曾被乔际平教授誉为“科学分配教育时空的新探索”。

第五，新一轮物理课程改革把培养学生的科学探究能力放到了十分重要的位置，探究活动要求学生体验科学探究的过程、方法，并生成科学结论。随着以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术的不断发展，以信息化推动教育现代化已经不再是一句口号，由山东省远大网络多媒体股份有限公司开发的朗威DISLab（朗威数字化实验室），为新一轮的物理教学改革提供了相应的硬件支撑，使中学物理实验教学进入数字化时代成为可能。我校作为朗威DISLab实验基地，建设了一个朗威数字化网络实验室，并展开了相应的实验研究。在研究过程中，我们将传统实验装置与朗威DISLab有机整合，开发富有时代气息的实验探究课题，学生通过亲自探究及网络交流得出结论，实现传统实验装置无法达到的实验探究效果，不断提高学生的科学探究能力，并开发了探究LC振荡的电流波形，利用高阻放电测定电容器的电容，探究决定单摆周期的因素，探究正弦交流电的有效值与最大值的关系，探究R、C、L对交流电的影响等探究性实验课题。

第六，以朗威DISLab为代表的数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图像处理系统，实现了实验手段数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，在延续传统的同时超越传统。

但是，我们要认识到，数字化实验系统与物理课程的有效整合需要先进的教育思想来引导。数字化实验系统的合理应用本身就要求同时变革传统的教育观念、教育思想与教育模式，代之以尊重人的主动性、首创性、反思性、合作性的全新的教育观念、教育思想与教育模式。

笔者认为，数字化实验系统优越性的充分发挥，应契合于物理实验教学理念。因此，从数字化实验的角度对物理实验基本理论进行深入研究，找到基于数字化实验系统的实验教学优化模式，是一个重要的研究方向。(www.xing528.com)

第七，在教学活动中，为了实现预期目的，教学主体总是要采用一定的手段作用于对象。教学手段是教学活动不可缺少的组成部分。数字化实验技术为物理教学提供了先进的实验手段，但它并不代表先进的教学思想。先进的教育技术手段与先进的教学思想有机融合才能实现技术与课程的充分整合。因此，教师在教学活动中不能单纯地注重教学手段的先进，更要重视教学思想的转变，重视教学过程和学生学习过程的研究。基于数字化实验系统的物理实验的拓展体现着先进的教学思想，这有待于更多的一线教师从更广泛的角度去研究。

第八，以朗威DISLab数字化实验系统为代表的各项数字化产品，已经开创了信息技术与学科教育整合的大好局面，相信一旦建立了完善的优化实验理论体系之后，将会更有针对性地开发出更多更好的创意产品，并引领教育理念的大幅更新。追求物理教学的有效性，追求学生创新思维的多样性，追求知识建构过程的发展性已经成为教师进行教学设计的指导思想。我国社会经济的发展为教学设备现代化奠定了基础，上海二期课改就推出了基于传感器和计算机的DIS实验系统。

第九，DIS实验，不仅是数字化，而且是平台化。DIS实验系统用传感器替代传统仪表计量实验中的物理量，用计算机软件分析替代人工数据处理，将现代自动化测量技术与物理实验相结合，实现了对传统仪器仪表的替代和超越，在充分发挥信息技术优势的同时保持了物理实验的真实性，按课程标准“量身定做”的专用软件实现了物理实验数据分析的高效性，为拓展实验设计的专用软件体现了物理实验数据分析的灵活性。应用DIS实验技术做物理实验能够显著提高课堂教学的效率，学生在单位时间内学习的质和量都能得到很大的提高，一些传统实验测量仪器不能测量或者不能快速同步测量的物理量，使用DIS实验技术的专用传感器测量就会变得十分方便。数字化物理实验技术的应用使物理教学改革呈现出崭新的面貌，为每一个物理教师提供了新的平台，出现了一大批应用数字化物理实验技术的新一代物理实验教具，极大地提高了物理课堂教学的有效性。

第十，数字化实验系统由传感器和数据采集器代替人眼读取数据，用计算机软件取代纸笔方式记录数据，用计算机软件代替人脑对数据进行简单的统计、处理和分析，在教学过程中能够直接把测量数据的变化过程通过图像显示出来，学生能够直观地看出物理量之间的变化关系，从而能够将更多的时间与精力用于实验设计的学习，用于探究和过程分析，用于验证和修改假设，从而有利于更好地理解概念、掌握规律。让教学设计成为教师思考的中心与重点，这样既可以提高学生进行实验探究的兴趣，也可以充分发挥教师在教学设计中的特长。

第十一，DIS实验系统是由“传感器＋数据采集器＋实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）＋计算机”构成的新型实验系统。该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。

传感器主要有电流传感器、电压传感器、压强传感器、温度传感器、声波传感器、位移传感器、力传感器、磁传感器、光电门传感器等。它们的主要功能是：实时、动态地测量各种物理量，并把它们统一转化成电信号送入数据采集器。多种传感器可以组合使用，在复杂实验中，相比功能单一的传统仪器仪表，这种组合的优势更加明显——组合意味着进一步的创新。

数据采集器与计算机之间以串行方式通信。一个数据采集器可以同时接入四路传感器，并行输入。数据采集器的主要功能是将由各类传感器采集到的各种具有模拟特征的物理量转换成能被计算机接收的数字量。

DIS系统的实验软件包主要包括教材专用软件和通用扩展软件两种。教材专用软件主要是针对物理教材中的实验研发而成，它可以完成物理教材中所有的演示实验和学生实验，简洁易用，更贴近课堂教学；通用扩展软件可以自行设定许多功能，如组合、显示、分析、计算、曲线拟合等扩展功能，因而更适于探索研究。

第十二，DIS实验的优势体现在创设学习情境、营造探究氛围方面。学习情景的创设有多种方法，演示实验是其中经常使用的方法。教学实践表明，物理演示实验对物理课堂教学具有举足轻重的影响。根据物理演示实验的功能可以将物理演示实验分为诱发物理问题的演示实验、解析物理问题的演示实验以及引导知识创新运用的演示实验三大类。数字化实验系统由于具备多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台、强大的函数图像处理等功能，更加有利于创设学习情景、营造探究氛围。