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摘要：数字化实验是一种新型的实验工具和教学手段，在传统实验的基础上，实现了信息技术与物理教学的有效融合，拓展了实验的空间性。在物理实验的动态演示，展现细节。数据测量等方面，显示了强大的教学功能，体现了新课程思想，提高了学生对物理的认知力和理解力，提升了学生的综合科学素养。
关键词：物理；学生；新课程；数字化实验
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2011)8(S)-0011-3
数字化实验是一种全新的实验教学模式，通过传感器、数据采集器和函数图像处理系统，提供了一个科技化的实验操作平台，在传统实验的基础上，信息技术与物理教学进行了有效的融合，营造了一种新型的实验教学环境，在实验演示，数据测量等方面，展现出了强大的实验教学功效。
1 变“模拟”为“数字”，提升学习兴趣。激发探索热情
在物理教学过程中，教师为了能说明一个问题，往往都会设计一个实验来进行现象或过程的模拟，以此达到教学的目的。如：演示受迫振动现象，实验器材如图1所示。以一定的频率转动手柄，学生发现物体开始上下振动，随着转动频率不断增加，物体上下振动的幅度越来越大，继续增加转动频率，发现振动的幅度反而减小了。反复演示并观察，可以得出产生共振现象的条件。如果想深入探究受迫振动时的振幅和频率间的具体关系，此模拟实验无法进行，学生的好奇心得不到满足。所以，教师可以选择数字化实验来进行课堂教学。
图像非常清楚地记录了小车运动的位置随着时间(手柄转动频率)的变化而变化，即小车振动时的振幅随转动频率的增加，先逐渐增大再逐渐减小，从电动机的数据显示可以读出发生共振时的频率，从图像纵轴可以读出共振时的振幅。此实验完全由“数字”来演示，而并非“模拟”展现，对学生而言，数据更具说服力。
新课程理念下的数字化实验，形象而逼真地展示了现象和过程中的数据对应关系，反映了其内在的规律性，大大提高了实验的可信度和可研究性，提升了学生的学习兴趣。激发了学生的探索热情。
2 变“微观”为“宏观”。反映过程细节，深化认知水平
微观状态的物理过程，一直都是教学过程中的难点。小而细，精而紧，难以把过程清晰明了地展示给学生。想设计一个实验，但传统的实验器械难以扩大其微观状态至可视程度，而动画模拟实验，虽然可以实现这一过程，但动画毕竟是人设计的，掺杂了众多的人为因素，难以让学生信服。因此，涉及到微观状态的物理过程讲解，迫切需要一种实验器械来进行辅助教学，数字化实验很好地解决了这个问题。
如金属丝的热胀冷缩，过程现象十分细微，凭视觉无法观察到处于冷热环境下的金属丝长度的变化，此时，必须通过“放大”思想使其现象变成“宏观”，让学生能看得到，感觉得到。
如图4所示为数字化实验连接图。其中力传感器装置和铁架台是固定不动的，以保持金属丝拉伸后的总长度不变，此时计算机初始读数24N，即为金属丝所受拉力大小。然后在金属丝某一部位进行加热，一段时间后，停止加热。此过程中金属丝热胀冷缩的现象，可以通过计算机屏幕中的关于力随时间变化的图像来进行详细说明，见图5。
一开始加热，力读数迅速变小，由24N减小到约5N，现象十分明显。可见，金属丝受力后的拉伸形变量相对于加热前变小了，即金属丝受热“胀”长了；当加热停止后，力传感器读数又逐渐变大，直到略小于24N，最终保持此数值不变。可见，金属丝受力后的拉伸形变量相对于加热时变大了，即金属丝受冷“缩”短了。
数字化实验中的变“微观”为“宏观”。放大了细小过程的可视性，把物理现象的本质呈现在学生面前，深化了学生的认知水平。
3 变“静态”为“动态”，展现过程发展，清晰现象变化
在高中物理教学中，有很多物理现象和过程从表面看是风平浪静的，实际上，内部发生着剧烈的变化。而动态的变化对认识物理和理解知识有重要的导向作用，但学生由于知识限制而难以清楚想象。
如电容器的充放电实验，电路图见6。单刀双掷开关先与相连，此时电容器充电。电容器两端电压逐渐增大；一段时间后，开关与相连，此时电容器放电，电容器两端电压逐渐减小。
深思：在充放电过程中，电容器两端电压随时间如何变化?借助数字化实验可得结论。电路如图7所示。经过操作后，在计算机上可得电压U随时间t的动态变化图像，如图8所示。图像清楚显示：电容器充电时，随着电荷的聚集，电压不断升高，但升高的速度逐渐减慢，根据Q=CU.得知电量的增加速度逐渐减慢，即电路中的电流逐渐减小；电容器放电时，随着电荷的释放，电压不断降低，但降低的速度逐渐减慢，得知电量的减小速度逐渐减慢，即电流逐渐减小，直至为零，电荷释放完毕。
通过数字化实验，把“静态”的过程展现为“动态”的发展，使学生清晰现象的变化，帮助学生对物理现象和规律进行理解，更好地形成感性认识，进而形成理性认知。
4 变“抽象”为“形象”。增加实验可视性，强化学生理解性
“形象”容易理解，因为可视性强而易想象；“抽象”难以理解，因为可视性差而难想象。高中物理知识，对学生思维要求有所提高，好多知识点都是以抽象化的形式出现，思维层次高，不易想象，导致学生对知识的理解出现断层或错误。
如交变电流的产生，通常教学过程中，教师会根据图9和图10进行抽象讲解。图9为磁感线垂直通过一闭合线圈abcd，此为初始状态，然后线圈绕轴MN逆时针匀速转动，俯视角度如图10所示。
通过数学推导，可以得到线圈匀速转动时的感应电动势E=Bsa,sina,t，其中s为线圈abcd的面积。结论：此交变电流的电压随时间呈正弦函数变化。此过程理论性强而比较抽象，可能给学生造成一定的理解性问题。
通过数字化实验，可以解决变“抽象”为“形象”。如图11所示，用手摇动转轮以驱动磁铁转动，从而使线圈切割磁感线，产生的感应电动势通过电压传感器输入计算机，在屏幕上可得到如图12所示的电压随时间的变化图像(非匀强磁场。非匀速转动，故非正弦图像)。通过同步生成的图像，在视觉上让学生感受到交变电流的方向随时间的变化，加强对该知识的理解。
通过数字化实验的辅助，把知识传授中涉及到的抽象思维转化为容易想象的形象思维，有助于学生发现规律、获取知识，培养理性抽象思维。
5 渗透STS教育。体现新课程思想。提升学生综合素养
新课程将“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三方面有效整合起来，体现了新课程对可持续发展的追求，由知识本位转向人文本位，充分挖掘物理实验的教育功能。在数字化实验教学过程中，渗透“科学、技术、社会”(STS)的教育，让学生关心生活、关心社会，培养学生科学知识价值观和实事求是价值观，树立为社会服务的人生志向。
通过数字化实验，建立创新环境，引导创新思维，提升学生的学习兴趣，激发学生强烈的求知欲。在实验思考，设计和操作中，有意识地设置创新问题，使学生在发现问题和分析问题中学习研究问题的能力，在充实知识和提升技能的过程中掌握解决问题的过程和方法。同时注重并加强对情感态度与价值观的重视和思考，以学生发展为本，促进学生综合能力的提升，为可持续发展奠定基础，实现物理新课程思想的实验教学目标。
参考文献：
[1]张溶菁.中学物理数字化实验研究：DIS校本课程开发与实践.上海：上海教育出版社，2009年8月.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验).北京：人民教育出版社。2003年7月.
(栏目编辑 赵保钢)
关键词：物理；学生；新课程；数字化实验
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2011)8(S)-0011-3
数字化实验是一种全新的实验教学模式，通过传感器、数据采集器和函数图像处理系统，提供了一个科技化的实验操作平台，在传统实验的基础上，信息技术与物理教学进行了有效的融合，营造了一种新型的实验教学环境，在实验演示，数据测量等方面，展现出了强大的实验教学功效。
1 变“模拟”为“数字”，提升学习兴趣。激发探索热情
在物理教学过程中，教师为了能说明一个问题，往往都会设计一个实验来进行现象或过程的模拟，以此达到教学的目的。如：演示受迫振动现象，实验器材如图1所示。以一定的频率转动手柄，学生发现物体开始上下振动，随着转动频率不断增加，物体上下振动的幅度越来越大，继续增加转动频率，发现振动的幅度反而减小了。反复演示并观察，可以得出产生共振现象的条件。如果想深入探究受迫振动时的振幅和频率间的具体关系，此模拟实验无法进行，学生的好奇心得不到满足。所以，教师可以选择数字化实验来进行课堂教学。
图像非常清楚地记录了小车运动的位置随着时间(手柄转动频率)的变化而变化，即小车振动时的振幅随转动频率的增加，先逐渐增大再逐渐减小，从电动机的数据显示可以读出发生共振时的频率，从图像纵轴可以读出共振时的振幅。此实验完全由“数字”来演示，而并非“模拟”展现，对学生而言，数据更具说服力。
新课程理念下的数字化实验，形象而逼真地展示了现象和过程中的数据对应关系，反映了其内在的规律性，大大提高了实验的可信度和可研究性，提升了学生的学习兴趣。激发了学生的探索热情。
2 变“微观”为“宏观”。反映过程细节，深化认知水平
微观状态的物理过程，一直都是教学过程中的难点。小而细，精而紧，难以把过程清晰明了地展示给学生。想设计一个实验，但传统的实验器械难以扩大其微观状态至可视程度，而动画模拟实验，虽然可以实现这一过程，但动画毕竟是人设计的，掺杂了众多的人为因素，难以让学生信服。因此，涉及到微观状态的物理过程讲解，迫切需要一种实验器械来进行辅助教学，数字化实验很好地解决了这个问题。
如金属丝的热胀冷缩，过程现象十分细微，凭视觉无法观察到处于冷热环境下的金属丝长度的变化，此时，必须通过“放大”思想使其现象变成“宏观”，让学生能看得到，感觉得到。
如图4所示为数字化实验连接图。其中力传感器装置和铁架台是固定不动的，以保持金属丝拉伸后的总长度不变，此时计算机初始读数24N，即为金属丝所受拉力大小。然后在金属丝某一部位进行加热，一段时间后，停止加热。此过程中金属丝热胀冷缩的现象，可以通过计算机屏幕中的关于力随时间变化的图像来进行详细说明，见图5。
一开始加热，力读数迅速变小，由24N减小到约5N，现象十分明显。可见，金属丝受力后的拉伸形变量相对于加热前变小了，即金属丝受热“胀”长了；当加热停止后，力传感器读数又逐渐变大，直到略小于24N，最终保持此数值不变。可见，金属丝受力后的拉伸形变量相对于加热时变大了，即金属丝受冷“缩”短了。
数字化实验中的变“微观”为“宏观”。放大了细小过程的可视性，把物理现象的本质呈现在学生面前，深化了学生的认知水平。
3 变“静态”为“动态”，展现过程发展，清晰现象变化
在高中物理教学中，有很多物理现象和过程从表面看是风平浪静的，实际上，内部发生着剧烈的变化。而动态的变化对认识物理和理解知识有重要的导向作用，但学生由于知识限制而难以清楚想象。
如电容器的充放电实验，电路图见6。单刀双掷开关先与相连，此时电容器充电。电容器两端电压逐渐增大；一段时间后，开关与相连，此时电容器放电，电容器两端电压逐渐减小。
深思：在充放电过程中，电容器两端电压随时间如何变化?借助数字化实验可得结论。电路如图7所示。经过操作后，在计算机上可得电压U随时间t的动态变化图像，如图8所示。图像清楚显示：电容器充电时，随着电荷的聚集，电压不断升高，但升高的速度逐渐减慢，根据Q=CU.得知电量的增加速度逐渐减慢，即电路中的电流逐渐减小；电容器放电时，随着电荷的释放，电压不断降低，但降低的速度逐渐减慢，得知电量的减小速度逐渐减慢，即电流逐渐减小，直至为零，电荷释放完毕。
通过数字化实验，把“静态”的过程展现为“动态”的发展，使学生清晰现象的变化，帮助学生对物理现象和规律进行理解，更好地形成感性认识，进而形成理性认知。
4 变“抽象”为“形象”。增加实验可视性，强化学生理解性
“形象”容易理解，因为可视性强而易想象；“抽象”难以理解，因为可视性差而难想象。高中物理知识，对学生思维要求有所提高，好多知识点都是以抽象化的形式出现，思维层次高，不易想象，导致学生对知识的理解出现断层或错误。
如交变电流的产生，通常教学过程中，教师会根据图9和图10进行抽象讲解。图9为磁感线垂直通过一闭合线圈abcd，此为初始状态，然后线圈绕轴MN逆时针匀速转动，俯视角度如图10所示。
通过数学推导，可以得到线圈匀速转动时的感应电动势E=Bsa,sina,t，其中s为线圈abcd的面积。结论：此交变电流的电压随时间呈正弦函数变化。此过程理论性强而比较抽象，可能给学生造成一定的理解性问题。
通过数字化实验，可以解决变“抽象”为“形象”。如图11所示，用手摇动转轮以驱动磁铁转动，从而使线圈切割磁感线，产生的感应电动势通过电压传感器输入计算机，在屏幕上可得到如图12所示的电压随时间的变化图像(非匀强磁场。非匀速转动，故非正弦图像)。通过同步生成的图像，在视觉上让学生感受到交变电流的方向随时间的变化，加强对该知识的理解。
通过数字化实验的辅助，把知识传授中涉及到的抽象思维转化为容易想象的形象思维，有助于学生发现规律、获取知识，培养理性抽象思维。
5 渗透STS教育。体现新课程思想。提升学生综合素养
新课程将“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三方面有效整合起来，体现了新课程对可持续发展的追求，由知识本位转向人文本位，充分挖掘物理实验的教育功能。在数字化实验教学过程中，渗透“科学、技术、社会”(STS)的教育，让学生关心生活、关心社会，培养学生科学知识价值观和实事求是价值观，树立为社会服务的人生志向。
通过数字化实验，建立创新环境，引导创新思维，提升学生的学习兴趣，激发学生强烈的求知欲。在实验思考，设计和操作中，有意识地设置创新问题，使学生在发现问题和分析问题中学习研究问题的能力，在充实知识和提升技能的过程中掌握解决问题的过程和方法。同时注重并加强对情感态度与价值观的重视和思考，以学生发展为本，促进学生综合能力的提升，为可持续发展奠定基础，实现物理新课程思想的实验教学目标。
参考文献：
[1]张溶菁.中学物理数字化实验研究：DIS校本课程开发与实践.上海：上海教育出版社，2009年8月.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验).北京：人民教育出版社。2003年7月.
(栏目编辑 赵保钢)