浅谈数字化手段在物理实验教学中的意义.doc

浅谈数字化手段在物理实验教学中的意义 世纪之交，我国启动的基础教育课程改革，是一场划时代的深刻改革在这场课程改革中，最基本的理念是提倡“以学生为本”，面向全体学生科学素质提高，旨在培养全体学生终生发展的兴趣和能力因此，怎样改革教学，培养学生自主学习能力，培养科学探究的兴趣和能力成为课程改革的重点，在这样的理念下自然就要求人们去全面地、深刻地研究揭露物理学的学科特性和教育功能课程标准理念深刻地改变了物理实验教学的目标、性质和模式，从单纯为了学习知识验证理论，学习操作技能，转变为以全面地培养科学素质为目标的课程，提出了“知识与技能，过程与方法，情感态度价值观”三维教学目标这样的物理教学目标决定了物理教学的性质、内容和模式 从人教版教材的变化上，我们对上述理念可见一斑。首先在教材的序言部分增加了数字电路、超导磁悬浮、不确定关系以及宇称、新粒子的发现等前沿物理学的科普知识。这说明我们的物理教育要紧随科学技术的发展，要渗透新兴的物理研究内容和结果。教材要与时俱进，不能限于教条，几十年来一成不变。然而对于前沿的物理科普知识的讲授，难点之一就是对于物理情景的再现。因为很多情景是理想状态下的或者是微观世界的，这就决定了我们的教学手段也要做出相应调整。利用数字化的手段对于情景的再现，有其得天独厚的优越之处。 所谓数字化，是指利用计算机信息处理技术把声、光、电、磁等信号转换成数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变为数字编码，用于传输与处理的过程。在这个过程中传感器和计算机是必不可少重要组成部分。利用数字化手段教学，不仅能够便捷的再现实际实验操作中难以实现的物理情景，而且能够极大的提高学生的学习兴趣，是符合新课程教学理念的，应该大力推广。 数字化物理教学首先是指在物理教学实施过程中或者是物理实验中广泛利用计算机、多媒体、仿真实验扩大物理实验的内涵，物理实验的教育功能计算机、多媒体、仿真实验扩大了物理实验的内涵，扩展了物理实验的教育功能在数据分析环节上，利用计算机的强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面在借助传感器用计算机测速度的实验中，用“运动传感器”把物体导轨上运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机运算，可以在荧光屏上显示物体运动的速度，甚至能在几秒内自动绘出运动v-t图象。这样，同学们可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析。 上图是一种运动传感器的原理图。这个系统由A、B两个小盒子组成，A盒装有红外线发射器和超声波发射器，B盒装有红外线接受器和超声波接受器，A盒固定在被测物体上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲，B盒收到红外线脉冲时，开始计时，收到超声波脉冲时计时停止。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动计算出A与B的距离（红外线的传播时间可以忽略）。经过短暂的时间Δt后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，即物体运动的位移Δx，系统按照v=Δx/Δt算出速度，显示在荧光屏上。所有这些操作都可在不到1s的时间内自动完成。在采集到所需要的速度数据后，我们可以借助软件（如EXCEL）即时得到v-t图线（参考右图）。 3、随着数字化实验系统的功能全面增强，为物理实验教学在实验内容上比如，在传统中学物理实验中，没有设备能很方便地测量，在荧光屏上显示的干涉图象上移动鼠标，可以得到条纹间距，从而计算光的波长。该实验与传统的利用双缝干涉测量光的波长相比，除了同样可以测量条纹间距外，它还可以方便的、形象的在荧光屏上展示亮条纹的分布，并能定量的描绘出传感器上各点的光照强度。 再比如，传统的物理实验测量仪器无法测量电场强度和磁强度现在有了磁强度测量模块，为学生大胆创造提供实验平台虚拟实验是从计算机领域中的虚拟现实技术与实验教学相结合的产物它将实验仪器、实验环境、实验环节等全部由计算机仿真系统来完成，既可以仿真传统实验，也可以仿真传统教学实验无法涉及的条件要求很苛刻的实验，如高温、强电、强磁实验、高能粒子实验、空间实验等等数字化实验系统（DIS系统）对物理实验教学从总体上讲，数字化实验系统是以计算机及传感器为核心器件的实验体系，而与传统的实验系统相区别数字化实验系统结构将使实验教学的设计思想、学生的操作过程和实验中间环节发生很大变化如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎要求，软件支持的情况使另一些层面更深入明确的处理形式的机械性工作，可以交给计算机来自动完成，使处理数据层面上工作简单化数字化实验，极大地扩展教学实验的内容，涉及以前教学实验无法涉及的领域，给予学生更大的学习空间，激发他们的想象力、创造力它可以，只用少量的资金去购买相关软件而不必用大量的资金去添置实际设备，从而给实验教学本身以更大的自由度它可以作为真