浅析实验数字化实验系统在初中物理实验中运用

摘要 介绍数字化实验系统，分析开展数字化实验应当遵循的科学性、针对性和适用性的设计原则，选取两个初中物理实验说明如何利用数字化实验系统优化探究过程。同时对数字化实验的优点和利弊提出思考。
关键词 数字化实验；数字化实验系统；数字化校园；初中物理
1671-489X（2012）34-0148-02
随着科技的进步与发展，越来越多的数字化技术手段被应用到物理教学中。这也促使初中物理教育模式发生变化。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》从战略高度提出要创新教育教学方法，激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境。新的课程标准指出：重视将信息技术应用到物理实验，计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。
为了适应科技的迅猛发展和新的人才培养需求，数字化实验系统（Digital Information System，简称DIS）成为各地数字化校园建设重点项目，数字化信息系统实验室也成为初中物理开展课内外探究实验的首选对象。
1 数字化实验系统简介
数字化实验系统是以计算机为平台，各种传感器将不同的物理量转换成数字信号，数据采集器将传感器采集到的各种电信号进行处理后通过USB等接口输入计算机，再由应用软件进行分析处理，并以多种形式实时显示在计算机的屏幕上。
数字化实验系统能够直接将测得的物理量以数据表格、坐标图像等形式呈现，具有可视性、直观性的特点，配合手持分析仪使用还具有户外拓展性。
2 初中数字化实验系统探究实验的设计原则

2.1 科学性原则

在活动设计中首先要遵循的就是科学性。数字化探究活动的实验原理、实验方法要科学。教师在设计实验时要符合初中物理教学规律，遵循物理原理，使教育价值得以体现。

2.2 针对性原则

数字化实验系统实验设计应该围绕实验教学的目标，在改进传统实验时仍然要突出实验的目的和意义。数字化实验所要替代的只是探究活动中数据读取和处理等环节，因此数字化实验系统实验要从学生的实际出发，针对教材中的重难点，不能因为要刻意使用数字化实验设备而改变探究实验活动的主旨。

2.3 适用性原则

数字化实验系统实验的设计要适用于初中物理实验教学。数字化实验系统配套的传感器能满足力学、热学、光学、电磁学等物理量的测量。初中物理数字化实验的设计应以定性分析为主，多采用图像分析法。
数字化实验系统实验活动的设计还要符合初中生的认知规律。初中学生对物理图像的认知理解存在局限性，避免复杂函数关系增加学生的认知难度。实验设计还要避免使实验复杂化，这样才能提高学生的学习兴趣。
3 数字化实验系统在初中综合实践活动中的应用

3.1 探究声音的特性

【活动目的】通过对自己及身边物体的发声的波形了解声音的特性。
【实验设计】选用声波传感器，将传感器连接到数据采集器，并打开手持分析仪的相应实验模板即可实验。实验时电脑分析软件自动将声波传感器接收到的声音信号的波形描绘在坐标系中，形成实时振动波形图。
【探究过程】用不同响度的声音对着传感器说话，观察声波图形的振幅的变化，停止说话，波形变成一条直线；探究声音响度的影响因素。男女生分别对着传感器说话，形成两条振动波形，将两条波形对比发现，女生音调高，声波振动的频率高；用不同乐器演奏同一音调，观察不同的乐器，振动波形特点各不相同，理解影响音色的因素；利用声波传感器和手持分析仪测量一天中不同时间段教室内的声音响度，开展噪声产生原因和如何减少噪声危害的课外综合实践活动。
【实验优点】传统声学实验是用鼓面细小物体的跳动高度来反映振幅，电动机齿轮的转速来反映振动频率的，而音色多数教材则直接给出图形。数字传感器的使用直接将这些振动特点可视化，既简化了测量和记录方法，又丰富了声学实验的方法，使探究活动变得更加易于操作，贴近学生生活，增加了学生的学习兴趣。

3.2 探究影响水果电池电压的因素

苏科版物理九年级自制水果电池的探究活动安排在第十三章第四节，本节主要内容为介绍电压知识和电压表的使用。作为课后自主探究活动，自制水果电池的内容深受学生喜爱，但常见水果源于：论文封面www.618jyw.com
实际能产生的电压较低，学生用电压表的精度只能达到0.1 V，无法明显准确地探究影响水果电池电压的因素。
数字化电压传感器可以达到0.01/0.002 V的测量精度，在实验设计中，不仅能够较明显地显示出水果电池的电压，增加实验的趣味性，还可以动态演示电压值的变化。在探究影响电压的因素时，先在软件中设定记录电压值和时间的坐标，再逐渐改变金属片插入的深度，系统将会将整个变化过程的电压值描绘出来，直观地反映物理量之间的关系。
4 使用数字化实验系统开展探究活动的几点思考
数字化实验系统精度高，搭建简单，因此能够完成一些传统实验较难完成的探究实验。传感器采集数据和软件自动分析的过程能够减少手工作图和数据分析的麻烦，使探究实验更简单易行，更有趣味性。数字化实验拓展了学生研究性学习的空间，能够更好地培养学生的合作意识和创造能力。
在设计初中物理数字化探究活动时，要正确地认识数字化实验和传统实验之间的关系，实验的设计要能够使学生更易于接受，使得数字化实验更直观。
总之，在物理探究活动中使用数字化实验系统，能够体现新课标对初中物理教学的要求，符合学生认知，体现自主探究特点的数字化实验是学生学习和发展的有力工具。