数字化实验系统在中学物理教学中的应用

数字化实验的特点
4. 给学生的课题研究提供了工具利于学生创新意 识的培养 在使用数字实验系统之前，学生总是苦思 冥想找课题，费尽心机找器材，这是研究性学 习过程中的普遍现象。有了DIS和配套的专用和 通用实验软件，循着拿着器材找课题的思路， 不仅让课堂教学内容得到了延伸，而且使得学 生开展真正意义上的探究也成为可能。
数字化实验的设计原则
用数字化系统进行实验时，突出的问题是数 据的采集、处理（包括作图线、数据转换、各种计 算、拟合等）都是在幕后进行的。这在实际工作中 可能带来很多便利，而在教学中却是一个缺陷。因 此在实验设计中要尽可能把这些幕后的操作移到前 台来。比方说需要进行物理量转换的时候，最好由 实验者自己输入公式；需要显示物理图线的时候， 最好由实验者自己选择坐标和标度；需要进行数据 拟合的时候，最好由实验者根据实验曲线的形状， 自己选择拟合公式等。总之，那些只要点击鼠标， 立刻就自动地得到“理想”结果的最便捷的实验， 从教学角度看，效果是并不好的。
数字化实验的设计原则
首先，它必须满足教学实验一般的要求。 既然要用数字化手段来进行某一实验，选 择实验课题时就应该能够回答采用数字化手段 来进行这个实验的必要性，并且在设计实验时 充分发挥数字化技术的特长。
数字化实验的设计原则
在实验课题的选择上，数字化实验 比较适合用在那些过程比较复杂的，要 采集的数据量比较多的，数据处理中计 算量比较大的实验。其次，在制定实验 的要求，设计实验的过程和方法时也要 尽量体现数字化实验的特点。
1．实验教学必须有鲜明的物理思想 实验教学必须含有丰富的物理思想．实验设 计要突出所研究的问题的背景，实验所依据的 原理和研究问题所用的方法。 2．教学实验的设计要能充分展示所研究的物理过程， 有效地揭露物理过程的本质。
实验教学的设计还必须给学生提供充分发挥创 造力、想象力的空间，有一定的操作要素。
数字化实验设计实例
１．作用力与反作用力关系的研究 ２．碰撞与缓冲的研究 ３．弹簧振子运动过程的研究 ４．电容器充、放电过程的研究 ５．定值电阻伏安特性的研究 ６．电磁感应现象的研究 ７．交流电有效值的研究 ８．振荡电路的研究 ９．气体等温过程的研究
作用力与反作用力
实验目的： 说明物体间发生相互作用时，作用力反作用力方 向相反，大小相等。 实验方法： 用两个力传感器互相对拉或对压，比较两条“力 －时间”函数图线。
数字化实验系统的构成
硬件:
传感器 采集器 计算机 软件: 对数据的采集进行控制 对所采集的数据进行处理
数字化实验的特点
１．实验过程“可视化”利于学生理解物理概念 实验过程可视化包括实验过程空间可视性和 实验过程时间可视性。这是学生学习物理过程分析， 建立物理概念，理解物理规律的认知基础，是学会 处理物理问题的关键所在。传统的教学方法与实验 难以再现相关的物理现象与过程时，运用数字化实 验系统创设问题情景（如弹簧振子F-t、x-t关系） 在情境中，学生根据情景的再现来观察事物的现象， 通过现象的分析与思考，从而为建立相应的物理概 念提供经验基础。
数字化实验的特点
3．学生自主的时间增多，利于实施探究教学 传统实验探究将占去了大部分时间，根本没有足够 的时间让学生充分自由表达、质疑和提问。而数字化实 验由传感器和数据采集器代替人眼读取数据，用计算机 软件取代纸笔方式手工记录数据，计算机软件代替人脑 对数据进行简单统计、处理和分析，使学生摆脱了繁琐 的计算过程，能够直接把测量数据的变化过程通过“待 测物理量──时间”图象直接显示出来，直观地看出物理 量之间的变化关系，使学生摆脱了手工作图的繁琐和作 图不准确而造成的实验错误，从而让学生能够将更多的 时间、心力用于实验设计，用于探究和分析，用于验证 和修改假设，从而有利于探究教学的实施。
数字化实验系统 在中学物理教学中的应用
安庆师范学院物理与电气工程学院 张 杰
数字化实验 作为实验教学的一种类型
作为实验教学的一种类型，数字化实验必须 满足教学实验一般的要求．实验教学是为教学活 动服务的，它的主要功能是教学功能．作为教学 过程中的实验，最重要的不在于得到某一项具体 的实验结果，而在于整个实验和其它各个教学环 节的过程． 同时，既然要用数字化手段来进行某一实验， 选择实验课题时就应该能够回答采用数字化手段 来进行这个实验的必要性，并且在设计实验时充 分发挥数字化技术的特长．
电容器充、放电过程的研究
实验目的： １．观察电容器充放电过程中 电压、电流的变化情况。 ２．说明电容器所带电量与电压 之比是只与电容器物理结构有关的 常量，说明物理量“电容”的概念。
实验方法： １．观察电容器充、放电过程的“电压－ 时间”、“电流－时间”函数图线。 ２．将电容器充、放电过程的“电流－时 间”图线对时间积分，求出充、放电的电量。 证明对某一电容器来说，这电量与充电电压 之比是一个常量。
弹簧振子运动过程的研究
实验目的： 对弹簧振子运动过程从多个角度进行 深入研究－－ １．弹簧振子的运动方程． ２．弹簧振子运动过程中力、位移、速度、 加速度的相位关系． ３．弹簧振子运动过程中能量的转换． ４．用弹簧振子运动验证牛顿第二定律．
实验方法： １．通过对弹簧振子的“位移－时间” 图线进行拟合求弹簧振子的运动方程。 ２．通过作弹簧振子的“力、位移－ 时间”、“力、速度－时间”、“力、 加速度－时间”图线，比较它们之间的 相位关系。 ３．通过“动能、势能、总机械能－ 时间”图线，研究弹簧振子运动中能量 的转换关系。 ４．通过作弹簧振子的“加速度－力” 图线验证牛顿第二定律。
定值电阻伏安特性的研究
实验目的： １．研究定值电阻的伏安特性 ２．研究定值电阻上消耗的电功率与电压的关系。 实验方法： １．通过对定值电阻伏安特性曲线的线性拟合，研究 定值电阻上电压、电流、电阻间的函数关系。 ２．通过对定值电阻上“功率－电压”曲线的拟合， 研究定值电阻上消耗的电功率与电压的函数关系。
数字化实验的特点
２．数据处理能力强大，利于学生分析物理过程 数字实验系统采用计算机自动控制，系统 能够在很短的时间内采集和处理大量的数据， 并利用计算机强大的数据处理和作图功能，将 数据反映成图象来描述瞬间量的变化过程（如 在弹簧振子的振动实验直观显示F-t，x-t动态图 象）。让学生在定性与定量的分析相结合的基 础上来认识物理过程。让学生在认识物理过程 的过程中逐步形成分析物理过程的能力。
碰撞与缓冲的研究
实验目的： 比较缓冲物软硬程度对冲力 大小的影响． 验证动量定理． 实验方法： 使砝码从同一高度下落到软 硬程度不同的缓冲垫上，通过 “力－时间”图线比较冲力大 小． 将珐码与缓冲垫接触过程中 受到的“合力”对时间积分， 说明珐码从同一高度下落，自 接触缓冲垫到停止运动，所受 合力的冲量相等．
电磁感应现象的研究
实验目的： 验证电磁感应定律。 实验方法： 比较“磁感强度、感应电压－时间”、“磁感 强度变化率、感应电压－时间”图线，说明在电磁 感应现象中电路中感应电动势的大小只与磁通量的 变化率有关。
研究交流电的有效值
实验目的： 研究正弦交流电有效值与峰值间的关系。 实验方法： １．通过用“正弦函数”对“交流电压－时间” 图线进行拟合，确认低压交流电源输出的是否可看作 是正弦交流电。 ２．通过对“电压平方－时间”图线进行统计分 析，求出在整周期内交流电压的“均方根”值，并求 出交流电压的峰值与“均方根”值之比。
数字化实验的特点
5．为中学物理“互动式教学”创造了条件 在实验室中将计算机联机，可以方便地实现 数据共享，在教师的指导下对各组实验结果进行 比较、探讨，为开放、互动性的课堂教学创造了 条件。
数字化实验与 传统实验的关系
中学作为基础教育阶段，传统实验方法的训 练对学生实验能力、科学素质的培养是必不可少 的。 但若要研究的物理过程十分复杂，要采集或 处理的数据量很多，或要通过多次改变实验条件， 对实验过程进行深入的分析，数字化实验手段就 有强大的优势和广阔的空间。 数字化实验和传统实各有长处和短处，二者 应该是互补关系，不能互相取代。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
振荡电流的研究
实验目的： １．研究“LC”振荡电路产生振荡电流的过程。 ２．研究产生振荡电流时电路中电压、电流间的相 位关系。 实验方法： １．观察“LC电路”产生超低频振荡的过程。 ２．通过软件慢速重放的功能研究产生振荡时电路 中电压和电流间的相位关系。
气体等温过程的研究
实验目的： 验证一定量气体等温过程中压强与体积的 关系。 实验方法： １．通过单点输入，作出一定量气体“压强 －体积”曲线。 ２．通过对“压强－体积”曲线的拟合，验 证波义耳定律。