2022年数字化处理系统在我组物理实验教学中实践研究报告

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1、个人资料整理仅限学习使用数字化处理系统在我组物理实验教案中的实践研究北京十二中岳玉平内容提要：在信息化社会的背景下，传统的实验模式已经不能适应学生的学习需要了，传感器和数字处理系统已被引入高中物理课堂教案中。它为中学物理课堂教案的改革增加了一种新的手段，为培养学生的物理创造性思维能力起到了重要的作用，具体的来讲，它可以使抽象的问题形象化，从而使学生在课堂上完整、清晰、形象地感知物理过程。本文分析了传感器和数字处理系统的先进性和实用性，同时也分析和探讨了它在培养学生创造性思维能力方面的作用。关键词：传感器和数字处理系统物理实验教案实践研究课程改革中最基本的理念是提倡“以学生为本”，培养学生自主学

2、习、科学探究的兴趣和能力。在这样的理念下，就我组学科课堂教案而言，老师认真学习，积极探索，提高认识，大胆实践。现对我们实验教案中对“传感器和数字化处理系统”的认识和实际应用的工作分析一二。一、数字化处理系统在高中物理实验教案中的特点传感器和数字化处理系统已在我组物理课堂教案中应用，它涉及教案理念、实验设备、器材功能等多方面的问题。总的来讲，中学进行数字处理系统实验特点如下：1直观、明显。数字化处理系统实验可以快速连续采集数据，这是常规实验办不到的。例如摩擦力实验用测力计演示存在最大静摩擦很不容易控制，而用数字化处理系统可以画出连续图像。如下左图中的峰值是最大静摩擦，以后是滑动摩擦。下右图中是用

3、数字化处理系统进行牛顿第三定律的图像，有很好的对称性。2.数字化处理系统实验特别适合于需要采集高速瞬时）实验的数据。以对瞬时速度的测量为例，传统的方法是将对速度的测量转化成对与速度有关的物理量的测量。例如，在验证机械能守恒定律的实验中，教材是利用“平均速度”的方法来实现了用对位移的测量来取代对瞬时速度测量的目的；又如，在验证动量守恒定律的实验中，教材利用“平抛运动”的原理将对碰撞精选学习资料 -名师归纳总结-第 1 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用前后小球瞬时速度的测量转化成对小球落地时在水平方向上所走过的位移的测量。我们必须承认，上述的处理办法对于学生来讲是有新意的，在实验的过程当中把

4、已有的理论知识在实践中得到了应用。但与此同时，我们一定会思考下面两个问题：是否所有的与速度测量有关的实验都可以用这种“等效转换”的办法来处理？是否所有的与速度测量有关的实验都必须用这种“等效转换”的办法来处理？回答当然是否定的。例如，教材在选做实验用气垫导轨验证动量守恒定律的实验中，就是利用“光电门”来测量小滑块在碰撞前后的速率。这种处理方法的优点就是提高了测量精度，同时又避免了对速度过多的处理而引起的“喧宾夺主”的反面效果。受到这个实验的启发，我们就可以让学生探究一些课本上所没有的实验：例如利用光电门测量自由落体运动的加速度；利用光电门验证单摆运动过程中的机械能守恒等等。3.智能处理数据。他

5、不仅能自动采集资料，而且可自动处理，包括绘制物理量关系图线。当用于一些计算工作量较大的实验例如气轨上的实验）时，可以代替烦琐的人工计算，能显著提高效率。例如，在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中、研究电源的路端与电阻的关系、研究电源的输出功率和电阻、输出功率和电流的关系下图为计算机直接处理得到的有关曲线）。对于测定单摆周期以及探究弹簧振子的运动规律这两个学生探究实验来说，大规模数据采集以及采集后的数据处理能力则显得尤为重要。要想达到上述两个目的，那么在实验中除了要装配我们的传统物理实验器材以外，传感器将各种不同的物理信号转化成数字信号）、数据采集系统和数据处理系统PC机）的装配也是必不可少的。4

6、.数字化处理系统实验为中学实验教案增加了一种新的手段，一种新的工具，有可能实现按照新的实验原理和方案，设计新的实验。长期以来，我们在物理实验教案中遵循这样一个规律，那就是按照教案进度，学生该做什么实验，实验教师就会在实验室准备相应的实验器材。看起来井井有条的教案安排其精选学习资料 -名师归纳总结-第 2 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用实在无形当中扼杀了学生的创造性。如果能够给每组学生配备一套数字化实验系统，那么教师就可以大大超出教材的范围，或者让学生探究一些教材上提到了，但是无法用传统方法完成的实验：例如声波的振动图像；电容的充放电；以及用磁传感器研究地球磁场等实验。或者让学生尝试利用

7、不同的实验器材，采用不同的测量方法和手段来达到同样的实验目的：例如学生可以用力传感器和加速度传感器的组合来研究牛顿第二定律；学生还可以利用光电门传感器来完成该实验；学生甚至还可以利用位移传感器来完成该实验。总之，就我们目前所想到的利用电流、电压、位移、力、光电门、磁、压强、温度、光传感器可以进行一百多项教材上没有的物理实验。当然，是否每一个实验都适合学生作探究，还有待于不断的实践和探索。二、实践研究过程课例以下是我组青年教师孙德峰、赵海燕老师的公开课课里例“电容器电容”1传统的解决办法：对电容器带电量与两极间电压成正比这一结论，教材是直接灌给学生的，不宜于学生接受，从网上下载了充放电模拟演示实

8、验，弥补了教材的不足，让学生通过描点，画线，亲自探索出电量与电压的关系，顺其自然引入电容的概念，从而掌握比值法定义物理量的方法，不仅易于消化，而且调动了学生的积极性，巩固了重点突破了难点。对电容器的充放电过程教材说的过于简单，加上内容抽象，微而这部分内容又是后面学习电磁振荡的基础，为突破难点，不仅用实物演示，还采用了计算机模拟，观运动又无法演示，学生接受困难；让学生亲眼看到了电子的运动过程为后面教案铺平了道路。但是，模拟演示实验毕竟不是真实的实验，难于让学生信服。2利用数字化处理系统的解决办法是：整节课始终以学生为主体、教师为主导、实验为主线，用数字化处理系统使动态的微观世界真的动了起来，与传

9、统的教案方式形成了鲜明的对比。1）实验原理、装置及器材实验原理：用电流传感器实时采集充电电流随时间变化的关系，通过积分可以计算得出平行板电容器极板上的电压。实验装置：如图为测电容器充电电流或放电电流的实验装置图。实验器材：干电池多节、不同规格的电容器、单刀双掷开关、电流传感器、小灯泡。2）实验操作实验一：电路中接4700微法的电容，闭合开关1采集充电电流如下图所示实验二：电路中接2300微法的电容，改变电源电压，闭合开关1，分别采集 E=7.5 V、6 V、4.5 V、3 V时的电流。用积分工具求出不同电压下电容器的带电量，用数字电压表测出电容器两极板间的电压。实验资料和图线如下表表示：电容器

10、 1 Logger Pro 栏数据:时间电流时间电流时间电流时间电流精选学习资料 -名师归纳总结-第 3 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用5 0.000304383 1.4 0.00060963 2.6-0.00030612 3.3 0.000304383 5.1 0.000304383 1.5-0.0006114 2.7 0.000304383 3.4 0.000914884 5.2 0.00488314 1.6 0.101647 2.8 0.0799747 3.5 0.0405974 5.3 0.00213589 1.7 0.00549364 2.9 0.00396739 3.6 0

11、.00366214 5.4 0.000609634 1.8 0.00305164 3 0.00213589 3.7 0.00183063 5.5 0.00122018 1.9 0.00213589 3.1 0.00183063 3.8 0.00152538 5.6 0.000304383 2 0.00091488 3.2 0.000304383 3.9 0.000914884 5.7 0.00122018 2.1 0.00122018 3.3 0.00122018 4 0.000914884 5.8 0.000609634 2.2 0.00183063 3.4 0.00122018 4.1 0

12、.000304383 5.9 0.000914884 2.3 0.00122018 3.5-8.67E-07 4.2 0.000304383 6 0.000304383 2.4-8.67E-07 3.6 0.000914884 4.3 0.000609634 电压电量电压电量电压电量电压电量7.5 0.01851 6 0.01119 4.5 0.01065 3 0.006471 下图为电容器1的电流-时间图像下表为电容器1的电量-电压图像精选学习资料 -名师归纳总结-第 4 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用实验三：电路中接3400微法的电容，改变电源电压，闭合开关1，分别采集 E=7.5

13、 V、6 V、4.5 V、3 V 时的电流，用积分工具求出不同电压下电容器的带电量，用数字电压表测出电容器两极板间的电压。实验资料和图线如下表表示：电容器 2 Logger Pro 栏数据:时间电流时间电流时间电流时间电流1.1 0.00122018 2.20 0.000304383 2.7-0.00030612 3.5 0.000304383 1.2-3.06E-04 2.3 0.000914884 2.8 0.000304383 3.6-0.000611368 1.3 0.180707 2.4-8.67E-07 2.9-8.67E-07 3.7 0.000609634 1.4 0.0109

14、881 2.5 0.109584 3 0.0546389 3.8 0.0546389 1.5 0.00427264 2.6 0.00915664 3.1 0.00732514 3.9 0.00152538 1.6 0.00305164 2.7 0.00366214 3.2 0.00335689 4 0.00183063 1.7 0.00183063 2.8 0.00274639 3.3 0.00244114 4.1 0.000609634 1.8 1.83E-03 2.9 0.00213589 3.4 0.00244114 4.2 0.000914884 1.9 0.00183063 3 0.

15、00152538 3.5 0.00183063 4.3 0.000609634 2 0.00122018 3.1 0.00183063 3.6 0.00183063 4.4 0.000914884 2.1 0.00183063 3.2 0.00152538 3.7 0.00152538 4.5 0.000914884 电压电量电压电量电压电量电压电量7.5 0.02515 6 0.0201 4.5 0.01429 3 0.01007 下图为电容器2的电流-时间图像精选学习资料 -名师归纳总结-第 5 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用下表为电容器2的电量-电压图像3.实验结果及资料分析由实

16、验一，闭合开关实时采集充电电流的同时，引导学生观察，虽然我们不能用肉眼看到充电电流，但是它是客观存在的，充电电流具有什么特点呢？显然是瞬间增大大约用 0.25秒），接着又在瞬间减为零大约用 0.25秒），共持续时间大约0.5秒左右。由实验二，在电路中接入的电容，首先，电源用五节干电池，闭合开关，采集充电电流，并通过大屏幕显示电流-时间图像，用积分工具得到电容器的带电量为0.01851C,同时用电压表测出电容器两极板间的电压为7.5V；电源用四节干电池，闭合开关，电容器的带电量为0.01119C,两极板间的电压为6.0 V；电源三节干电池，电容器的带电量为0.01065C,两极板间的电压为4.5

17、V；电源两节干电池，电容器的带电量为 0.006471C,两极板间的电压为3.0V。接着，引导学生观察、分析，充电电压越大，电容器的带电量越大；电容器的带电量和充电电压有什么定量的关系呢？用比的方法寻找这种关系，计算两者的比值是一个常数，或用直线拟合工具画出电量-电压图线；显然在误差允许范围内比值是一个常数。提出换用一个不同的电容器重新重复以上的实验又怎么样呢？进行实验三的操作，电源用五节干电池，电容器的带电量为0.02515C,同时用电压表测出电容器两极板间的电压为7.5V；电源用四节干电池，电容器的带电量为0.02018C,两极板间的电压为6.0 V；电源三节干电池，电容器的带电量为0.0

18、1429C,两极板间的电压为4.5V；电源两节干电池，电容器的带电量为 0.01007C,两极板间的电压为3.0V，电容器的带电量与两极板间的电压的比值为000335。最后，引导学生分析这个常数反映的物理含义是什么？引导得出电容的公式。精选学习资料 -名师归纳总结-第 6 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用三、教案分析新课标十分强调科学探究在科学课程中的作用，可以说科学探究是这次课程改革的核心。与规律课不同，这节是概念课，所以我觉得课上让学生纯粹地通过实验进行探究是不太合适的。应该说科学探索是一种科学精神，学生只有通过探索变未知为已知，这样的教案活动就是科学探究，这节课的教案设计就是基于这

19、样的出发点。在物理实验中运用传感器和数据处理系统为培养学生的创造性思维能力增加了一种新的手段，一种新的工具。1它激发了学生的认识兴趣和创造欲望传感器直观、明显地将一些传统实验测不出的物理量呈现在教师和学生的面前，数字化处理系统实验可以快速连续采集数据，这是常规实验办不到的。高科技的使用有利于激发学生的好奇心和求知欲。2 可以培养学生思维的深刻性，使学生掌握创造性思维的基本方法对于一般高中的学生，个性心理特征已经基本定型。经历了初中的学习，大部分学生的思维从形象思维逐渐向抽象思维发展，处于抽象思维和形象思维相结合的状态，并以形象思维为主导。高中生相对初中生来说，学习兴趣更加的集中，直接兴趣与间接

20、兴趣互相起作用，其最大的特点是兴趣与目标开始有了联系，相比而言间接兴趣起着更大的作用。既然高中生的抽象思维的能力已经发展到一定的状态，传感器应用与演示实验处理实验中的问题遵循学生的思维特点便是一个必然要考虑的因素。它不仅能自动采集资料，而且可自动处理，包括绘制物理量关系图线，代替烦琐的人工计算，能显著提高效率。学生更能养成勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神，让学生领略到自然界的奇妙与和谐。3激励学生学生在学习的过程学习和掌握一些科学的探究方法，自主学习的能力，良好的思维习惯。由于处理数据的能力提高了，研究手段多样化，教案中可以充分运用“观察与思考”“实验探究”“讨论与交流”这些研究方法，使

21、学生能够在学习物理知识的过程中掌握一定的物理研究方法，培养了学生探索能力。主要参考文献：1 广东基础教育课程资源研究开发中心编着.普通高中课程标准实验教科书物理必修M 广东教育出版社.2004.1）2 人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心编着.普通高中课程标准实验教科书物理必修2 M，人民教育出版社.2004.1）精选学习资料 -名师归纳总结-第 7 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用3 阎金铎 田世昆主编.中学物理教案概论 M.高等教育出版社.2003.11）4 中华人民共和国教育部制订：普通高中物理课程标准实验）M.人民教育出版社.5 任伟德：中学使用数字信息系统实验仪器的探讨和思考，教案仪器与实验，2007年第 1期6 胡金邦.全日制义务教育物理新课程教材设计D.上海师范大学:教育信息学院.2004 7 梁树森王志军李生滨.物理教师.谈教材的学习心理分析J.第19卷第 10期.1998 精选学习资料 -名师归纳总结-第 8 页，共 8 页