实验教学中，传统实验与数字化实验该如何分工协作？
物理实验在物理学发展中起了很重要的作用。中学物理实验教学中传统实验和数字化实验各有什么特点，它们各自在教学中该如何定位？实践中如何优化整合，以提高教学效果？随本文看看赵惠松老师的观点吧。
——数老师说
传统实验和数字化实验的特点
对于传统实验与数字化实验，笔者主要关注和分析的是由于使用不同的实验仪器而导致的不同实验模式、实验效果的差异。
传统实验教学形式是以演示为主，超过实验总数的80%；实验教学以验证性实验为主。验证性实验是按“问题—原理—结论—实验证明”的程序教学的。这种模式简明、清晰，有利于学生对相关结论的认知、理解和记忆，也有利于教师对整个教学过程的控制，其教学步骤的设计和实施可以做到分毫不差。
DIS 实验（数字化实验系统）的应用实现了从单一仪器到数字化多功能集成系统的飞跃。数字化实验系统一般由传感器、数据采集器和软件包三部分构成，可在普通个人计算机上运行，可实时显示、监控、记录并同步由计算机进行数据处理与分析。
DIS 实验便捷、高效且精度高，同时软件具有较强的移植能力，适应性强，在教学上有以下几个特点：一是实验手段新，如让学生接触传感器和计算机的人机合作实验，可开阔眼界；二是可为学有余力的学生做探究实验提供平台；三是利于实验数据采集；四是可以辅助物理实验教学；五是影响物理实验教学思维变革。
两者对比以及各自定位分析
（一）实验设备比较
1.DIS 实验中所用到的设备绝大多数是以20世纪下半叶得到实际应用的具有较高科技含量的装备，包括微型计算机、传感器、数据采集器和软件。
DIS实验系统的优点是可以快速、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；缺点是使用寿命短、更新快，初次采购费用大，维护成本高。
2.传统实验中所用到的设备，绝大多数是以18世纪、19世纪的物理学知识作为理论支撑而生产的。这些老式装备，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。
传统实验系统的优点是使用寿命长；可利用生活道具，趣味性高；价格便宜，维修方便，容易找到替代物件。它的缺点是每做一个实验必须由多种仪器组合使用，实验进程缓慢且精度不高，要由人工进行大量的计算来分析处理实验信息。
（二）传统实验与数字化实验的定位分析
1.实验器材、基本操作能力的定位分析。
传统实验虽然仪器众多，步骤烦琐，但物理思想清晰、严谨，而DIS在这方面与传统实验相比略有欠缺。但这并不意味着要在两者之间取舍，我认为应该将传统实验物理思想与现代技术的快捷结合起来，通过缜密的物理思想，用形象的动态图形表达物理规律。
传统物理实验十分重视“学生应初步具备的实验能力，主要是学会正确使用仪器进行观察、测量和读数……”的要求。DIS实验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就可以了，至于读数、精确度等无需学生操心，全部由仪器完成。
传统实验需要的测量仪器较多，操作准备时间较长，但有利于培养学生清晰、有序的思维能力及勇于克服困难的顽强的意志品质。DIS实验的操作过程相对简单，体现了实验设计的方便性原则。通过计算机来进行信息采集和数据处理，能提高学生使用计算机的操作技能，有利于培养学生应用现代化信息技术、拓展知识的能力。
2.对数据处理过程中的计算、绘图能力，数形结合、探究规律、归纳结论的能力等方面的定位分析。
传统实验在数据处理方面所花的时间很长，据统计，传统实验在数据处理方面所花的时间占整个实验时间的45%，因为学生要经过详细计算后进行数据描点作图才能得出结论。DIS实验则正好相反，它用于数据处理的时间只占整个实验时间的3%，计算、描点、作图的工作都由计算机实时完成。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，探寻物理量之间的规律。
我们对采用DIS实验系统教学的学校做了调研，结果表明：DIS实验有57%的时间供学生探索研究，而传统实验在这方面所用的时间只有8%。从上述的比例来看，两者各有所长，具有很强的互补性：传统实验侧重于培养学生基础能力；DIS实验则更加侧重于培养学生探究能力。
3.对学生独立设计实验方案的能力及自主探究能力等方面的定位分析。
DIS实验仪器相比于传统实验，具有测量范围广、测量精度高、操作简便、数据分析迅速且准确等特点，可以达到很高的设计要求，所以更有利于培养学生的探究能力。
4.对思维延伸、联想猜测能力的定位分析。
相比于传统实验，DIS实验系统独特的数形结合功能和函数模拟功能及先进的测量仪器，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，利于学生将宝贵的精力集中在设计实验和分析数据上。
整合研究、总结以及研究反思
（一）整合研究案例分析
1.课堂演示实验整合案例。
对于牛顿第三定律教学中的“探究作用力与反作用力的关系”实验，以往的教法是教师演示两把弹簧秤对拉实验，讲解相互作用力的大小、方向关系，或者让学生手持两个弹簧秤进行对拉实验，让学生总结出相互作用力的大小、方向的关系。
由于两把弹簧秤的拉力很难保证在同一直线上，同时还存在弹簧的重力及各部件之间的摩擦等因素，两把弹簧秤的读数往往会不相等也很难近视相等，这对教学结果带来了负面影响。上述实验完成后，我们再用两个力传感器对拉实验来演示相互作用力的关系，可以让学生对该内容掌握得更深刻、更完整。用力传感器实验时，我们可以先演示静止物体之间的相互作用力之间的关系，再演示运动中的物体间相互作用力之间的关系。
再举一例。电容器的充放电是“电容器的电容”这一节的重要内容。一般情况下，教师会用如图1所示的演示实验来演示，当开关打到1位置时（如图2），两个极板将分别带上等量的异号电荷，从灵敏电流计可以观察到短暂的电流，这个过程是充电。
将开关打到2位置时（如图3），电容器的两个极板被接通，两极板上的电荷被中和，电容器又不带电，从灵敏电流计也可以观察到短暂的电流，这个过程是放电。根据电流计指针偏转的方向，我们可以知道充放电的电流方向，但是在以往的教学中，学生往往以为电容器充放电时，电流是从无到有再到无是突变的，教师也没有办法向他们说明。如完成这个实验，我们再用电流传感器重做该实验，如图4和图5所示，学生就会发现充电电流或放电电流并不是突变的。
2.学生分组实验整合案例。
以高三物理实验复习课“力学实验综合”为例，具体阐述两种实验方式的整合以及应该注意的问题。
准备工作：按照男女生比例、学习接受程度以及动手能力将全班分成十多个小组，每组选出一个小组长，便于组织讨论。
具体操作如下。教师提前三四天分发前置性作业，督促小组长监督小组前置性作业完成进度。教师要求学生尽可能完成复习目标上的任务，鼓励学生发现新问题，并用不同颜色的笔记录，例如黑色代表已经理解的问题，蓝色代表需要考虑的问题，铅笔记录自己想到的问题等。
教师在实验室准备仪器时，并没有将所需实验器材一次性摆放在各实验桌上，而是将所需实验器材按种类分类摆放。这样做的目的是要求学生按照自己的方案自行领取器材，一方面让学生感受到的确是自己参与实验设计，不会让学生觉得器材“绑架”了自己的想法；另一方面考察学生对实验的综合理解程度，凸显学生个人能力。同时学校开放数字化实验室，让学生利用传统实验的实验原理和方案，用数字化实验设备做实验。
以下是发给学生的前置性学习作业（见表1）。
问题一：以上4个实验需要哪些器材？
问题二：是否有改进方案，哪个实验可以改进，如何改进？改进方案与原有方案对比结论哪个更优越？
问题三：能否设计一个实验方案，完成上述实验？如果能，具体应该如何操作？
问题四：能否加入其他力学实验？如果能，可以加入哪些？尝试重新考虑上述问题。
问题五：实验过程中有无其他注意事项？合作小组有何补充意见？
事实证明，利用器材相同而原理不同的同类实验进行力学实验整合，将大大提高复习效率。所谓“同类”并非特指原理类似的实验，也可以指实验器材大致相同的实验。讲授方式也不同于以往，并没有通过PPT讲授实验原理、实验步骤、实验数据如何处理或实验误差如何分析等，而是将这些问题全部抛给学生。学生想要完成任务，不仅需要了解每个实验的注意事项，还需要考虑如何合并实验，如何通过一个实验模型达到复习4个或更多个实验的目的。
（二）总结与反思
1.中学生平日作业那么多、功课负担压力那么大，课堂几十分钟究竟能够探究什么？我们认为：探究是注重过程的，探究的问题大小和探究问题容易与否，这些并不是重点，关键在于通过有别于传统教学方式的学习形式与方法，来培养学生的动手能力与创新意识。即使是已知、既定的东西，我们也倡导学生去探索、去质疑。希望探究过程中学生能够坚持自己的观点，用实验的方式来证明自己的观点，因为这才是科学的精神。
2.很多教师可能会有顾虑：这样大规模推动应用基于传感器的数字化实验系统，是否会弱化学生的动手能力与分析处理问题的能力？我们认为：对于一些经典的实验可使用传统的器材与操作方法而非一味舍弃，只是实验探究方法或手段也需要与时俱进，让学生了解一些现代高科技的探究手段也未尝不可。何况由于实验设备的限制，很多传统实验还一直只能停留在定性研究层面，无法开展定量研究，而这些问题借助数字化实验手段都能迎刃而解。
3.有了数字化实验仪器，传统的仪器会不会被视作破烂，束之高阁？我们认为：一种仪器，只要它能够在多种实验上能用得到，它就具备装配探究室的优良品质。即使是常规的仪器、简陋的仪器，也能够成为实验室的“明星”仪器。所以，在新一轮课改的背景下，开展实验室的建设与应用工作，需要坚持整合的理念。有的常规仪器能够组合出新，有的常规仪器能够拆分改装，这本身就是探究!这本身就是创新!
综上所述，数字化实验与传统实验在促进学生各方面能力培养方面各有所长，在教学中若能取长补短，会达到意想不到的效果。我们应该将传统实验的思想与现代技术结合起来，通过缜密的物理思想，用形象的动态图形表达物理规律。
物理实验教学思路应是：以实验现象为基础，以逻辑分析为辅助，将物理实验与逻辑分析相结合的实验探究方法用于传统实验与数字化实验整合教学，从而有效提高物理实验教学的质量。
（作者赵惠松系浙江省桐乡市凤鸣高级中学副校长、高级教师，黄文俊系浙江省桐乡市茅盾中学高级教师）
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文章来源：《中小学数字化教学》2018年第1期
责任编辑：祝元志
微信编辑：李中华
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