开发数字化实验室 提高学生创新能力

开发数字化实验室提高学生创新能力
高中物理课程标准在课程性质中指出：“高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究的过程，了解科学研究的方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然，理解自然的兴趣与热情……”新课程理念强调，在高中物理教学中彻底改变教师机械灌输、学生被动接受的教学方式，改变学生学习死记硬背、机械训练的现状，以多样化的教学方式取而代之。

在传统物理教学中十分重视系统知识的传授，这对学生创新能力的培养是远远不够的，更谈不上利用现代化手段做一些较精密的实验。

教师在教学过程中主要采取传统式教育，很少考虑如何培养学生的创新能力，很少关注现代化技术手段的发展和变化，传统的教学被放到了第一位。

随着科学技术的突飞猛进的发展，物理这门与科学技术最紧密相连的自然科学学科也受到了冲击，在全面进行新课程改革的今天，培养学生的创新意识和创新能力被放在教学的首位。

随着数字化实验室的引进和开发，各种物理实验被“实现化”“精密化”“系统化”，给物理教学注入了新鲜活力。

有了数字化实验室这一平台，教师应该贯彻创新教育的精神，在物理教学中加强学生创新能力的培养。

一、数字化实验室的开发
物理是一门以实验为基础的自然科学，物理学几乎所有的概念、定理、原理、公式都是从实验中得到的，实验是检验物理理论的标准。

随着科学技术的高速发展，学生对物理的学习不再停留在物体表面现象，而要求对每一个物理量都能用现代的科学技术手段精确地进行测量，去分析、去求证，去研究、去总结规律。

传统的实验教学已经不能满足学生的要求。

因此建立数字化的、现代的实验室是非常必要的。

我国著名的物理学家、激光学家、中科院院士邓锡铭教授曾经指出：物理学是一门“精密”的科学，是要用很“精密”的数字来表达它的内容的。

今天以传感器、数字化闪频系统为代表的一批数字化实验仪器已经逐步走进了中学校园，完成了老一辈科学家们梦想，数字化实验室的开发就是以这些仪器设备为前提的。

实验也是一种教学手段，将现代化的教学手段融入到实验教学中去，而开发的数字化实验室与教学，优势互补、相得益彰，这不仅是提高实验教学效果的途径，而且是实验手段创新的一种重要方式。

在实验教学中，应用传感器、微重力系统、数字化曲线运动闪频仪等先进的数字化试验装配，可以精确地完成每一步实验，对实验所得的数据也可以精确地在计算机上用数字反映出来，画出图表进行分析，得出结论，让实验不再停留在传统的表面现象；它可以提供实验背景，阐述试验原理，解除空间和时间对观察实验现象的限制。

在把每个物理量精确到数据上的进行实验分析并进行规律拟合，显示普通实验室无法完成的实验等方面均能发挥很好的作用。

我校早在2005年就对实验室进行了改造，专门建立了物理数字化实验室及化学生物数字化实验室。

图1为我校的物理数字化实验室。

物理数字化实验室由计算机总控设备，力学、电学、光学和声学传感器，还有微重力系统和数字化曲线运动闪频设备组成。

它基本上可以完成中学物理学的实验任务，很好地使物理实验教学数字化、精确化，提高了学生的学习兴趣，特别是高中学生，因为年龄的增长，他们已经不再满足于传统实验或者物质的表面现象，而注重物质的本质和发展规律，因此要满足他们的兴趣和求知欲望，就应用“精密”的数字来表述精密的科学。

二、数字化实验室的应用
教育技术装备是办教育的物质基础和技术保障，是教学思想和教学内容的物质载体，是转变学生学习方式和教师的教学方式、提高学生科学素养的有效手段，是全面实施素质教育整个体系中不可缺少的基础环节。

离开技术装备的配备和使用，具有实践动手能力和创新精神的人才是不可能培养出来的。

1.数字化实验室的使用让原来比较“粗糙”的物理实验实现了“精密化”
例如力学的平抛竖落实验，用传统的实验方法只能凭借听到声音来判断物体平抛和竖直下落时所需要的时间是相等的，或者是用手接的方法确定各点位置，然后描出平抛轨迹，精确度非常低。

而使用闪频系统做平抛竖落实验，小球每一刻、每一点的位置都非常的清晰，我们可以精确地得到小球的运动轨迹。

并且，闪频系统可以自动拟合，使得每一个点上的每一个物理量都可以通过计算机轻易而精确的计算出来。

原来实验中只能看到的物理的表面现象，转变成了直接而全面地表现出平抛物体的运动规律，物理的定理、公式自然就得到了。

同学们一目了然，理解起来也容易多了。

2.数字化实验室的使用让原来不能实现的物理实验成为可能
在中学阶段，由于实验条件的限制很多实验是很难完成，特别是电磁学的实验，只能是“图片”，数字化实验室的开发和使用使这些实验有了一些突破。

例如电学的安培力的大小测量，是高二选修课本上的一个重要实验，测量安培力的大小与电流大小“量”的关系，因为有了数字化的实验仪器而使得这个实验变为可能(如图2所示)。

利用双范围力的传感器和电流传感器共同完成，原来系统的电磁学中从来也没有方法测出安培力的大小，更不能完成安培力与电流的正比关系，只是教师直接给出公式。

这个实验的完成，使各个物理量之间的关系极为清楚，是实验教学的一个突破。

学生自己能够动手完成实验，猜想并找出实验的原理，制订实验步骤，对实验进行分析和总结，提高学生对学习的兴趣和创造能力。

3.数字化实验室的使用让原来只能流于表象的知识，通过实验变得更加具体
例如通电导体在磁场中的振动(如图3所示)。

在磁场中的电磁力、重力和空气摩擦力的合力作用使通电导体在做阻尼振动，用力传感器可以看出阻尼振荡的图像，把表象的实验具体化。

总之，由于数字化实验室的全面应用，我们带领学生开发了很多实验。

使用微重力系统完成力学中的超重、失重、完全失重实验；使用传感器等实验仪器也可以完成力学中的超重、失重、完全失重实验还可也进行电学中的电表内接、外接法的实验尝试，电源电动势，电源的内电压，感应电流等的测量，电表的改装实验等，突破了实验教学的一些难题。

三、数字化实验室与学生创造能力的提高
新课标中体现的新课程，强调要着重培养学生的创新精神。

这是一个时代的要求，要求积极推进探究性实验教学。

新标准强调新课程与现代科学技术的紧密结合，要求把现代信息技术和其他高新技术应用于实验教学和实践教学，鼓励师生在实验室中采用计算机、传感器、多媒体软件等实验用品，培养学生的信息收集与处理能力。

“我听说了，就忘了；我看见了，就领会了；我做过了，就理解了。

”这句名言突出了动手做实验的重要性，深刻地揭示了“探求的意义在于经历”。

数字化实验室由于其能够使实验高度精确的特点，以及对现代化设备的应用，更加容易激发学生进行科学探究的兴趣。

从而调动学生学习的内动力。

在用传感器探究摩擦力的影响因素实验中，提醒学生传统的传感器及弹簧测力计测量的并不是物体的摩擦力而是对物体的拉力，那么除了保持物体匀速运动外，没有其他手段。

而传感器给出的典型实验所测量的摩擦力也是一样的，很难控制。

究竟采用什么方法才能准确测量呢，为了解决这个问题，教师带领学生重新设计实验，去猜想、去创新，每一个环节的设计都鼓励学生亲自动手，亲自体验，终于很好地完成了这个实验。

表1是高一年级某学生的实验报告：
2.将细线（后改为钢管），一端绑在铁架台上，另一端系住力传感器，传感器放在木板上，另一端与放有钩码的小车相连。

保持系统平衡状态。

3.校准传感器，启动采集。

4.开始时，向右拉动木板，持续约10秒，采集终止。

5.分别改变小车与木板接触面积，小车的质量、接触表面的粗糙程度、拉木板的速度、拉力的大小等重复2，3，4三步。

6.保持第一次实验时小车与木板接触面积，在木板上垫棉布，放好装置。

继续重复2，3，4三步。

7.改为钢管连接后避免了第一个下凹
因此所有连接都应是刚性连接。

8.整理数据，仪器，实验完成。

使用数字化实验室授课使学生对探究和创新有更深刻的认识，诱发了学生创新欲望、学生兴趣无不盎然。

但是，教师在学生得到实验成功的喜悦之后并没有让学生止步，而是在此基础上提出了新的问题。

我们设计这个实验是否就没有问题了？用问题引着学生向前走，同时让学生不断地发现新问题，使学生始终面临着众多的未知领域，以此来激发学生的创造热情，走上创新之路。

四、结束语
爱因斯坦曾经说过：“对真理的探索比占有更加宝贵”。

可见传授给学生知识，不如培养他们的创新能力。

因此教学要以实验为载体，在学校推进素质教育中，从培养学生创造思维能力的角度，培养学生的创新思维能力。

实验教学要着力启发学生的创新意识，促使学生勤于动手，敢于创新，成为有用人才。