数字化探究实验室和传统实验室的比较研究

来源 :现代教育科研理论 | 被引量 : 0次 | 上传用户:clhsmith001
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  教育部颁布《高中物理课程标准(实验稿)》中提出:“重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用,诸如通过计算机实时测量、处理实验数据,分析实验结果等”。而物理新教材中的实验大大增加,探究实验、演示实验中也多采用数字化实验室来探究、演示。与传统实验相比,数字化探究实验室在很多方面有巨大改变。
  一、硬件部分:
  传统实验中所用到的设备,要包括:秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、多用电表、气压计、温度计等等,每做一个实验必须由多种仪器组合使用,实验进程缓慢,精度不高,且要由人工进行大量的计算来分析处理实验信息;而数字化实验室主要采用力、热、光、电、磁、温度传感器、数据采集器等收集数据,利用微型计算机和相关软件进行处理,能快速、准确、动态地采集实验信息,并实现数字化显示,由计算机辅助进行分析处理但要求学生具有较强的信息技术能力。
  二、实验过程:
  在实验过程中,数字化探究实验室与传统实验室相比,也有很多不同。
  数字化探究实验室具有现象明显,实验结论易得出,精度高,数据处理快等特点。例如在验证牛顿第三定律方面,我们利用数字化实验室能够利用力传感器能够同时得到瞬间的、变化的力,同时在及时在图像中得到图像,学生得到的结论完全是自己的感知得到。而传统实验利用两个弹簧秤相互钩住向相反方向拉,通过弹簧秤的示数来说明作用力与反作用力的关系。由于弹簧的精度低,微小力变化不明显,学生的实验结论是由课本的引导及实验共同得到。再例如探究加速度与质量、加速度与力的关系中,传统实验利用电火花打点计时器、纸带、小车、天平、带滑轮的木板、小桶等仪器,使用控制变量法,采用小桶加上沙的质量约等于小车所受拉力的约略计算方法得到数据,再通过学生的记录计算相关数据,描点,画图,得出实验结论,所需时间长,实验处理误差较大,而数字化实验使用位移传感器、数据采集器、计算机,带滑轮的轨道,小车,等仪器直接得到数据,不需要学生通过计算得到图像,而是通过软件功能输入数据直接得到图像,速度快,准确率高。再比如在做验证玻意耳定律时,我们可以通过数字化探究实验室实时得到处理结果,而传统实验室却不能达到这种效果。
  传统实验室虽然没有数字化探究实验室的种种优点,但却有着一些不可替代的优势,对培养学生的能力有着不可磨灭的作用。传统实验室对学生观察能力的培养方面要求很高,要求学生对实验仪器的结构、性能、使用方法等等了如指掌,从仪器选用到实验数据读取,都必须真实有效,对实验的细节要仔细分析,不像数字化探究实验室所有的仪器选用、连接等都是设定好的,数据也不需要读取。在这个方面上,传统实验室更注重培养学生的观察习惯,如仔细、耐心等,而数字化探究实验室更注重探究的结果,缺乏对这方面的培养和训练。在操作过程中,由于传统实验仪器相对简陋且易出故障,实验持续时间长,需要学生自己动手的地方多,所以需要学生有足够的耐心和恒心,对培养学生的逻辑思维能力和坚持不懈的意志品质有很大的好处,而数字化探究实验室操作相对简单,持续时间短,对学生这方面的锻炼相对而言较少。在实验的数据处理上,传统实验室的数据记录、处理全是学生自己动手收集并计算得到的,每一次的实验数据都不少,有时由于实验器材精度或者其他原因需要多次试验去获取数据,处理数据时又需要进行大量的计算,对学生的数据计算和分析能力起到了一个很好的锻炼,比如在描点作图中,需要学生进行必要的数据收集、计算、描点(点的取舍)、归纳等,能够有效地培养学生的数学思维,而数字化探究实验室的数据处理相对简单,主要是利用已有的软件进行处理,节省的时间用于培养学生的探究。
  三、实验的改进与开发
  做物理研究需要丰富的想象力、广泛的联想能力以及大胆合理的猜测能力,很多物理规律、定理定律都是对现象的观察、想象、猜想、假设,并在此基础上进行深入的研究总结出来的,为此,严加安院士专门发表了一篇文章,名为《想 象 力 比 知 识 更 重 要》,强调培养想象力的重要性,在培养学生的想象力方面数字化探究实验室的作用更为强大。在传统实验室所做的实验基本上是成熟的、不变的,因此学生做实验时只需要按部就班,对着实验步骤一步一步的进行,这样就限定了学生思维的拓展与发散,再加上传统实验室条件有限,无法充分发展学生的想象力,能做的仅仅是对实验仪器的充分利用,数字化探究实验室而能够利用先进的实验仪器、强大的计算工具与模拟能力,能够充分的发挥学生自主探究的深度和广度,发展学生的想象思维能力,拓展他们的想象力,对学生的终身发展有着巨大的作用。
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