摘自中国教育学会 " 十五 " 重点课题研究成果《信息技术与物理教学整合的模式与策略》

作者简介
秦晓文：
　　 教育学硕士，现任北京教科院教研中心教研员，中国教育学会物理教学专业委员会副秘书长。曾从事过 8 年中学物理教学， 1994 年师从首都师范大学乔际平先生并获物理教学论硕士学位。自 1997 年以来，投身于物理教育教学研究工作，在国家级、市级刊物独立及与他人合作发表论文 40 余篇，与他人合作编著 5 本。

邵泽义
　　 教育学硕士，现任北京教科院教研中心教研员，从事过 12 年高中物理教学，后师从首都师范大学乔际平先生并获物理教学论硕士学位。 1999 年以来，潜心研究信息技术与中学物理教学的整合，在国家级刊物独立及与他人合作发表论文 20 余篇。

内容摘要

第七章 数字化物理实验平台应用简介
7 － 1 数字化物理实验平台简介
三．数字化实验平台应用于物理实验教学的优势
下面先将传统实验和应用数字化实验平台做一个比较：

　　从以上的时间对比表格中我们可以发现传统实验需要占据比较多的课时，而且从实验理论上来看，采集数据的过程仅仅是一种模仿形式，因为数据量的不足造成了实验结果的真实性不强。而用了传感器作为实验载体以后，在进入实验阶段的过程将大大提高了效率。从数据的数量和数据的真实性来说都比较理想。从实验的完成速度来看除非是必须要缓慢变化的实验，比如气体定律的实验，各种参数的改变在需要用控制变量法时要尽量放慢速度以外，其它实验都可以在非常短的时间内完成。甚至有的实验仅仅在 1 分钟的准备以后在 1 秒内就完成了 1000 组实验数据的采集。
　　 传统实验在处理数据方面总有力不从心的感觉，因为缺乏有效的手段来处理数据，所以就不要求在大量实验数据的基础上来做研究。而数据数量少又不符合科学研究的规律。在大学学习物理实验的时候往往在 1 个小时以内要记录的数据量非常大，可以有 200 组以上。实验数据记录以后要通过特殊的数据处理方法要将不合理的数据剔除，剔除完毕以后还要重新审视一次。这样周而复始地要来上 3 、 4 次才算结束。这样的过程虽然科学，但是烦琐，在中学这样的方法显然是不可行的。而现在在使用传感器采集数据以后不需要用人工的方法来记录数据（有的时候也无法用人工的方法记录，当需要在 1 秒内采集 100 个数据的时候就已经不可能人工记录了），数据采集器可以在非常短的时间内将数据全部记录并通过数据电缆传送到电脑中。通过配套软件的处理大量的实验数据，根据学生有选择性的菜单式的操作就可以得到理想的拟合效果。拟合是实验结束后非常重要的操作，对于大学物理实验也是尽量理论而回避计算的，一般都是通过计算器来完成。现在有了配套电脑软件的帮助，有着强大计算功能的 CPU 对于数万个数据的计算也就是短短数秒就结束了。这是传统实验所无法达到的结果。
从表格中我们可以看出传统实验还有一部分的内容是要课后完成的，因为课堂的时间仅仅是能满足完成实验数据的记录。而通过传感器技术和相关电脑软件的配合，可以在课堂上完成完整的实验过程，效率大大提高了。有句话叫趁热打铁，通过传感器做实验就是这样的一个过程。
　　 最后一点是传统实验中实验结论一般都已经在书本上写过了，学生即便是实验失败了也能从书本上抄到相关的语句。而用传感器做实验就提高了学生对自己得到实验数据真实性的信任度，从最后的拟合结果中可能一些简单的线性关系或二次关系等都不需要再通过翻阅书本就能自己想到了。这大大帮助了增强了物理规律获得的体验过程。
传统教学中教师往往将一些经典的实验演示给学生看，甚至有的演示实验本身也有一定的缺陷，根本不能将定量的信息传授给学生。当有了实验用传感器以后实验的过程将逐步从教师演示转变为学生体验。这里想通过几个案例来阐述到底是如何通过传感器技术和电脑技术整合体现出传统实验无法做到优势的。

7 － 2 数字化物理实验平台应用案例

　案例一：牛顿第二定律的验证方法（弹簧系列）

　　这个实验是传统实验中最有代表性的一个，用斜面和小车组合完成一个观察外力和外力使得小车产生加速度的关系。当教师实际操作的时候会发现就算是演示实验也是非常难操作，在实验中要注意平衡摩擦力，还要保证作为外力施加体本身的重量不能太重等。由此还延伸出了很多在这个传统实验基础上的习题，大致的内容都是围绕如何才能保证实验正确地、顺利地进行。可是这个实验本身的设计受到实验手段的限制就存在了很多的缺陷，在引入的时候无法得到合适的数据来得出实验结论。教师往往在做了 3 次后满头大汗地在黑板上将实验数据写了几个，然后会加上一 ?quot; 在经过大量的实验验证后得出力和加速度的关系是 ……" 。这种方法可以称为标准的假演示，因为根本就没有再现演示的完整过程，同时也会误导学生以后也可以用这样的话来搪塞，用一种不严谨的态度来面对严肃的科学研究。
用传感器来完成这个实验完全改变了实验的面貌。
实验目的： 通过测量弹簧的弹力使砝码产生的加速度的动态过程得出牛顿第二定律的规律。
实验器材： 加速度传感器、力传感器、铁架台、硬质弹簧、大砝码、细绳、数据采集器、电脑、数据分析软件。

实验步骤：

1 、将弹簧悬挂在铁架台上，并将力传感器用细绳绑在弹簧的底部，然后将砝码和力传感器做紧密连接。松手以后系统能做有规律的上下振动。
2 、将加速度传感器固定在砝码上，振动方向和加速度传感器上的箭头所指定的方向一致。
3 、将两个传感器分别插入数据采集仪的相应接口中，注意采集的传感器类型。
4 、启动电脑配套软件，软件设置通道用什么传感器。
5 、在软件中进行采集数据设置，包括采样的频率和采样的时间长度。
6 、用软件进行传感器的零点调节，这个操作和传统实验弹簧秤测量前做调零一样。
7 、在软件中设置相关的显示方式，可以将力传感器和加速度传感器和时间之间的关系分别记录并显示相关的数据图像。
8 、一切设置完毕就可以将让弹簧开始振动了，注意振动的方向要竖直。
9 、当测量持续了足够时间（ 10 秒）以后就可以人工停止采样了。
10 、比较力 - 时间图像和加速度 - 时间图像，可以发现两个图像非常相似，但是他们之间有着不同的单位。

14 、 看拟合方程的表达式，应该非常理想。其中对应的斜率还和一个物理量有关系，不过是什么物理量还不知道。
15 、 用电脑直接计算斜率的倒数，并比较挂在弹簧下的砝码、力传感器和加速度传感器的质量总和。会发现非常接近。也就是说拟合的结果反映了 a=(1/m) F 的关系，也就是牛顿第二定律关系式的变形。

实验总结：

　　 实验的线性关系非常好地显示了实验结果，单一的数据点显示了牛顿第二定律中的瞬时性特点；数据点分布在一、三象限表现了牛顿第二定律的矢量性特点，两个物理量是同正同负的，并且实验图像过原点。
　　 这个实验并不是一种单一的匀变速运动的测量，而是一种动态过程中的全过程测量，这样比匀变速运动更能体现出牛顿第二定律的普适性。同时这样的实验操作非常简单，实验平台的搭建只要几分钟都能完成，大大提高了实验的效率并得到更为理想的定量结果。
　　 和传统实验相比用传感器和电脑软件结合的这个实验有这样一些不可替代的优势：
1 、 这样的牛顿第二定律的验证实验更容易操作，更准确。
2 、 数据量之大是传统实验根本无法相比的。
3 、 拟合的操作将科学的方法真正应用到了实验数据处理中，由于有了电脑软件的帮助，拟合的操作成为可能。
4 、 实验耗时非常少，完全可以在课堂上组织学生活动实验，并在一个课时中完成。
5 、 增加了学生操作的可行性，能使得学生有能力完成这样一个非常经典的验证实验。
6 、 能让学生真正经历一个完整的科学研究过程，使定律公式成为学生自己实验处理数据后得到的。这样的知识印象将更深刻。

案例二：牛顿第三定律的验证

　　传统牛顿第三定律实验的做法是让学生分别站在两个非常光滑的滑板上，然后让两个学生互相推，由于学生的质量有区别，所以可以看到两个学生都分别倒退滑动了，但是质量大的学生相对滑行比较慢一点。这个实验是一个非常热闹的实验，学生观察到的现象是非常清楚的。不过这个实验有一个缺陷是无法得到定量的数据，同时站在滑板上的过程是有一定的危险性的！如果要得到定量的数据就要借助于弹簧秤了，弹簧秤是可以动态显示作用力和反作用力这两个拉力是等大反向，作用在两个物体上的特点的。不过当要观察推力的时候你就会发现弹簧秤也没有了办法。
　　 以上的实验都是操作简易的实验，但是对于引出牛顿第三定律还是有一点欠缺的。不过有了力传感器就可以将所有欠缺的部分也弥补了。因为力传感器是可以测量推力和拉力两个方向的，这样就可以将两个物体相互作用中力的动态变化都显示地非常清楚了。
实验目的： 通过测量用橡皮筋连接的两个力传感器的拉力大小的动态变化来验证牛顿第三定律的矢量性和瞬时性。
实验器材： 两个力传感器、橡皮筋数根、数据采集器、电脑、数据分析软件。

实验步骤：
1 、用橡皮筋连接两个力传感器的挂钩，橡皮筋呈现松弛状态。
2 、将两个力传感器和数据采集仪连接，并将数据采集仪和电脑连接完毕。
3 、启动电脑分析软件并设置两个传感器的基本测量参数，采样频率和采样时间为同样的数值。
4 、在电脑软件中设置两个传感器的测量矢量方向一个以拉力为正，一个以推力为正。（这个操作完全是根据传感器的硬件特性决定的，并非实验中做了手脚。）
5 、将两个传感器平放在桌面上，用电脑软件将两个力传感器进行调零。
6 、开始采集数据，设置同时显示两个力传感器采集的数据和时间关系的图像，并做观察，但两个图像之间有怎样的规律。
7 、可以观察到两个力传感器得到的图像是以时间轴为对称轴的正反图像，并做到了完美的同步变化。
8 、显示两个力传感器采集数据的数据图表可以看到两个数据的绝对值基本是一样的。
9 、将橡皮筋松开，将两个力传感器做相互顶推动作就可以得到另一种图像，但是图像同样也有刚才实验的特征，仅仅是相反了而已。