dns数字化物理实验毕业论文(编辑修改稿)

dns数字化物理实验毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

录物体的位置，进而再对纸带进行处理计算物体在某段时间间隔内的平均速度，但采用朗威 DISLab 位移 传感器及其相应器材可以更高频率直接实时记录物体的位移和瞬时速度，如图 9 所示。 （ 3） 暂态数据的采集 稍纵即逝的瞬间 ， 也包含着丰富的物理图景。 将这短暂的过程清晰呈现 ，传统实验设备就无能为力了。 应用数字化实验系统，则可以打破这一瓶颈。 例如，在讲解电容的 充放电的时候，很多学生难以理解“断路”也有电流。 为突破这个教学难点，不少老师尝试用比较灵敏的电流计来演示，可是依然难以让现象非常明显可观。 采用微电流传感器，则可将瞬间变化的微电流异常细微地展现出来，如图 10 所示。 在数据处理环节 ， 自动智能处理数据以及绘图 ， 可将学生从简单 、 机械 、 繁琐的数据处理过程中解脱出来 ， 显著提高了实验结果精确度和实验效率。 例如，在探究物体的加速度 a 与物体的质量 m、物体受到的合外力 F 间的关系时，运用传统实验手段则会花大量是时间对纸带进行处理计算物体的加速度，但直接 运用朗威 DISLab 中的教材专用软件 —— 牛顿第二定律，则可避免简单、机械、繁琐的数据处图 10 电容 充放电过程 Fig. 10 Capacitor charging and discharging process 电容 充电 电容放 电 图 9 瞬时 速度 的 测量 Fig. 9 Measure the instantaneous velocity 10 理过程，从而将更多精力集中在研究 a 与 m、 F 间的关系，不仅提高了实验精确度，更提高了效率。 在观察环节 ，实时显示、 直观 、 明显 ， 极大扩展实验的可视性和可重复性。 例如，采用朗威 DISLab 中的教材专用软件 —— 从 vt 图求加速度，点击“开始记录”后，窗口会实时显示物体的速度随时间变化的动态曲线，如图 11 所示。 又如，突破牛顿第三定律的教学，采用朗威 DISLab 力传感器等实验器材，则会更直观明显地表明相互作用力等大方向的特点，如图 12 所示。 图 11 实时 显示速度 Fig. 11 Realtime display speed 图 12 实时 显示力 Fig. 12 Realtime display fore 11 3 数字化实验系统与传统实验设备的比较 传统实验是相对于 数字化实验而言的，其实验设备 沿用了近代物理学中的经典仪器。 像游标卡尺、天平、直尺、温度计等都使用超过了 100 年，而打点计时器、电压表等设备也有数十年的历史。 除此之外，其最鲜明的特点就是将日常生活中的常见物品应用到其中。 数字化实验系统与传统实验设备在 “ 硬件 ” 方面的比较 实验设备比较 数字化实验中所用到的设备绝大多数是 以 20 世纪前沿科技作为技术理论支撑 、 20世纪下半叶得到实际应用的具有较高科技含量的装备，其 中包括：微型计算机、传感器、数据采集器和软件。 传统实验中所用到的设备，绝大多数是以 1 19 世纪的物理学知识作为理论支撑、使用了几十年 甚至上百年的老式装备，其中主要包括：秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、温度计等。 显然，数字化实验设备没有传统实验设备丰富，其配套实验器材之间的重新组合不是很特别自由，改进的空间依然很大。 尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其 优势填补了传统实验中诸如微小量、瞬时量测量等多个 空白，实现了数字技术与物理实验教学的 有效 整合。 这 预示着数字化实验具有很强的拓展性，承传并发展了传统。 误差比较 实验误差分为系统误差和偶然误差。 传统实验中绝大部分数据需要人工读取、记录，由于人的感觉器官能力的限制，如照准、估读、记录之类的偶然误差是必然存在的，且在整个实验误差中占了相当大的比例。 而数字化实验可以自动采集实验数据，因而基本消除了偶然误差。 产生系统误差的最主要原因是测量仪器本身的原理、结构、材质以及元件响应度等因素引起 ， 总的来说，数字化实验系统的系统误差明显小于传统物理实验设备的系统误差。 实验时间比较 一般情况来说，传统实验需要占用比较多的 课堂时间 ,尤其是量化的数据测量 和数据处理 时 ， 紧张的时间往往成为制约 实验 教学设计与实施的最大瓶颈。 运用数字化实验系统 则可 以在很大程度上 提高数据采集、处理、分析 的 效率。 除了必须要缓慢变化的实验之外，比如气体定律的实验，大多数实验从完成 的 速度来看，数字化实验手段 所用时12 间要 远远 少于 传统实验手段 所用的时间 ， 这为中学物理的实验教学打开了一片新天地。 投入资金比较 整个数字化实验室建设的费用在 35 万左右，其中数字化传感器的费用在 12 万左右，其他电脑多媒体和实验室改造的建设费用在 23 万左右。 整个数字化实验室及设备的费用是传 统实验室的 7 到 8 倍。 面对昂贵的建设费用，中学对此的投资比较慎重。 在重庆市第十一中学实习期间，指导学生参加重庆市第三届科技小论文大赛时，本来 学生的有些想法是非常适合开展实验进行探究的，可惜没有数字化实验设备，难以有效开展实验。 此外，数字化实验 系统的 维护成本高。 一方面，由于数字化实验装备属于精密仪器，在使用的过程中容易被损坏；另一方面，信息技术的高速发展导致仪器的更新换代速度加快，几年的时间里原来的实验仪器就会老化，精确度降低，这些都 会 导致数字化实验系统 的维护成本高。 数字化实验系统与传统实验设备在 “ 软件 ” 方面的比较 新课程改革强调从知识与技能 、 过程与方法 、 情感态度与价值观三个维度全面培养学生 ， 为学生终身发展 、 应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。 因此，在实验教学中也需在这三个维度比较数字化实验系统与传统实验设备的异同。 知识与技能维度的比较 物理学基础知识学习 不管是传统实验，还是数字化实验，都有助于学生认知、理解、掌握高中物理中的基本概念和规律。 与现代信息技术密切结合的数字化实验系统，在帮助学生认知、理解、掌握物理概念和规律上明显优于传统实验。 首先，数字化实验系统可以实时动态地采集数据，在分析动态问题上 具有不言而喻的优势。 其次，数字化实验系统测量精确、快速，操作灵活、简便， 易于发现或验证有关物理量间的关系，对定量研究物理学规律非常适用。 第三，由计算机代替人脑对数据进行处理，避免了繁琐的计算或作图过程，从而有更多的时间、精力用于研究掌握物理学规律上。 最后， 实验误差小，从而使物理学规律的发现或验证更具严谨性和可信度。 从而让学生开阔了视野，突破了认知知识方面的某些局限，更清晰全面地 认识、 理解、掌握物理概念和规律。 物理实验基本技能掌握 观察能力 13 传统实验一般需要多次观察、重复测量，有利于培养学生细致 耐心 的观察习 惯、 不厌倦的良好心理品质 ，从而 提高学生的观察能力。 数字化实验不要求学生了解传感器、数据采集器、计算机等的内部构造，对实验器材的观察少了不少要求 ，但 将 学生 积极的思维活动寓于现象观察之中，对学生观察图像的能力要求较高。 两者相比，传统实验侧重于培养细致、认真、耐心等观察习惯，而数字化实验则侧重于培养学生在观察中思考探究能力。 合理选择和正确使用仪器的能力 传统物理实验十分重视这方面能力 的培养。 首先要分清仪器的 量程，待测量不能超过量程；其次仪器的精 度必须符合实验要求；最后 还要 了解仪器使用的基本要求。 对数字化实验 而言，这方面的能力要求 降低了许多。 它只要求学生基本了解各种传感器的使用方法，会选择合适的传感器进行数据的采集 即可。 至于读数、精 度等都由仪器本身来完成。 因此，在正确选择和使用仪器能力的培养方面，数字化实验是个弱点。 实验过程中的有序操作和排除故障的能力 正确 有序的实验操作，是 完成实验 的关键。 传统实验需要的测量仪器较多，操作时间较长，实验中容易出现故障， 但这 有利于培养学生清晰、有序的思维能力及勇于克服困难的坚强的意志品质。 数字化实验的操作过程相对简单，体现了实验设计的方便性原则。 同时数字化实验系统作为信息采集和 数据处理工具，提高了学生使用计算机的操作技能和运用现代信息技术的能力。 数据处理过程中的计算 、 作图能力 ， 数形结合 、 探索规律 、归纳 结论的能力 传统实验在数据处理方面所花的时间 比较 长，学生要经过详细的计算或描点作图，才能够根据计算的结果或作出 的图象进行分析 、 归纳 、总结 ，得出结论。 因此，传统实验在数据处理过程中，可以充分培养学生的计算能力，作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力。 但由于计算过程太过冗长，学生用于探索研究的时间就很少很少。 数字化实验则正好相反，计算、描点、作图的工作都由计算机来完成，学生的主要任 务是根据数据进行探索、研究、推测结论，然后选择合适的函数进行拟合。 传统实验侧重于培养学生计算、作图、归纳等基础能力；数字化实验则更加侧重于培养学生数形结合能力、对知识和规律的探求能力，数字化实验中的各种函数拟合功能，还有助于培养学生 基于 信息构建物理模型的能力。 过程 与方法维度的 比较 14 科学探究过程与科学实践活动的体验 基于社会发展对创新人才的需求，培养学生独立设计实验方案的能力及自主探究的创新和钻研能力已在实验教学中占有越来越重要的地位。 传统实验由于仪器的简陋，操作的繁琐，一些必要的测量无法实现 ， 限制了学生 探究和钻研的深度和广度。 数字化实验则为解决这类难题提供了器材和技术保证。 数字化实验仪器具有测量范围广、测量精度高、操作简便、数据分析迅速准确等特点，可以达到很高的设计要求。 在逐步开展的研究性学习中，数字化实验的 应用价值 要大于传统实验。 物理学基本研究方法的了解与掌握 在物理实验教学过程中，学生总会遇到各种意想不到的“意外”，而这却是学生良好注意力 、洞察力、想象力 的体现。 不少情况下，由于难以从实验基础上解决这些“意外”，事实上制约了学生的发展。 良好的注意力、敏锐的洞察力、丰富的想象力， 是物理研究也是创造性人才 不可缺少的思维品质。 历史上 许多 著名的物理学家就是通过对很多未知现象的 洞察、想象 ，进行大胆的猜测，在此基础上再进行深入的研究总结出规律的。 传统实验由于过分重视基本技能的培养，学生习惯于按部就班的做实验。 再加上实验条件本身的限制，对学生思维的广度、深度及灵活性的培养不够，使学生的想象力得不到充分的发展。 因此，在 培养学生洞察力和想象力方面 ，传统实验是有所欠缺的。 由于传统实验实验时间一般较长，这是非常有益于培养学生的注意力的。 而数字化实验独特的数形结合功能，函数模拟功能，以及先进的测量仪器，为优化学习方式、学会 学习、倡导自主探究、实践体验和合作交流提供了空间和时间。 所谓见多识广，学生思维的广度和深度及灵活性自然会有所增加，从而也会拓展学生的想象空间，增强他们 洞察力和想象力。 情感 态度与价值观维度的 比较 培养学生的兴趣、激发学生的求知欲 物理实验 有助于 引导学生从感性认知到理性认识过渡，启发他们认识物理现象、物理问题，以激发学生学习物理的求知欲，从而转化为探索科学知识的持久兴趣和饱满的热情。 采用数字化实验有助于激发学生学习的动机，使学生更具有探索未知领域的兴趣、情感、意志和毅力等。 数字化实验的动态过程与物理规律同时 对应，即刻激发学生学习兴趣，有利于探究问题。 数字化实验的动态过程营造了一个向未知境界不断探索的学习15 环境，有利学生学习情感的培养。 数字化的动态过程创设了学习的新阵地，使学生了解现代科学技术的新成就。 培养学生良好的科学素养 实事求是的科学态度要求学生尊重事实、忠于实验数据。 由于自然科学的客观性，自然规律的精确性，导致不少传统实验不能从定量的角度开展研究。 而数字化实验由于实验设备先进，使得教师能够在教学形式上从过多的灌输、讲授物理规律转变为引导学生自己去发现、验证物理规律。 并且数字化实验具有很强的拓展性，能够更 加方便地开展研究型课程和进行研究性学习，给了学生更为广阔的进行自主发展的空间。 对培养学生实事求是的科学态度和树立正确的价值观具有积极的作用。 随着信息技术的高速发展，教育信息化是未来发展趋势。 将信息技术整合于中学物理课程中是新课改以来的新变化之一，在中学物理实验教学中运用数字化实验平台是其具体的表现。 总的来说，我们 需要用辨证的眼光审视传统实验和数字化实验， 不可将数字化实验和传统实验对立起来：片面强调数字化实验系统的优点，而抛弃传统实验方式；或固守传统实验方式，对数字化实验系统嗤之以鼻。 在不同的方面，这两 种实验 方式 的侧重点有所不同。 应该依据具体的实验内容和教学目标，选择不同的实验手段，或者取长补短，将传统实验的思想与现代信息技术结合，发挥各自的优势。 这将对我们在教学中具体实施新课程标准有很大的参考意义，同时更有利于培养学生的终生发展的兴趣和能力。 16 4 应用数字化实验平台优化整合高中物理实验教学 《基础教育课程改革纲要（试行）》指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式，学生的学习方式，教师。