数字化平台在初中物理实验中的应用与效果分析

引言

伴随着信息技术的发展，以数字化平台作为媒介融入到初中物理实验中来使用已经是不可避免的趋势，并且可以帮助改善传统实验教学面临资源匮乏以及数据误差大的弊端。对数字化实验平台的技术和实施、取得的效果进行分析并探究它对学生科学素养、创新能力及教育公平产生的变化是研究的初衷与目的所在；发现优势与不足之处旨在为同行提供可参考性的应用方法，推动物理学科更具有现代化的教学。

一、传统实验教学的局限性

传统的实验有着许多的弊端，首先就是实验资源匮乏，很多学校没有良好的实验室环境和设备条件，在硬件上根本无法开展课程。其次，对于传统的实验仪器来说，分辨率低无法清晰地看到实验过程中产生的现象变化；手工作业效率低下，记录数据也会受到主观因素的影响。再加上固定的地点时间和模式，使学生很难有机会在同一地点同一时间重复或是亲手操作这项实验，科学探索的过程就变得枯燥乏味，不利于科学精神及创新意识的发展，这样的课堂也很难让学生学习到有效的学习方法并运用到其他的学习活动中去，更不用说符合社会发展的综合素养要求了。

二、数字化平台在初中物理实验中的应用

（一）虚拟仿真实验平台的应用

虚拟仿真实验平台利用计算机技术模拟真实实验环境，让学生有身临其境的感觉。在初中物理的实验中存在着很多缺少设备或具有危险性而不能够做的经典实验，比如“牛顿第一定律”、“光的折射”等等，在这种情况下就可以通过虚拟仿真平台改变相应的参数来达到目的——学生可以任意地去控制滑板从最顶端到最底端所花费的时间，也可以任意地去改变入射光线的位置和角度等等，然后直观地感受到相应的现象，最后再得出相应的问题答案。PhET 仿真实验是由斯坦福大学研发出来并投入中学阶段的物理教学之中使用的一种软件，它能帮助我们更好地理解某些比较抽象的知识内容。并且通过这个虚拟的平台进行的实验是没有时间地点限制的，学生可以随意地重复操作实验，并且成功率也比较高。研究者发现采取虚拟仿真的方式进行理解和探究比传统的实验方式要更好一些。

（二）传感器与数据采集系统的应用

传统的物理实验数据的采集是人工填写，往往会出现误差，时间消耗大。数字化实验利用各种传感器，如力传感器、光电门、温度计等，对数据进行实时显示后传入电脑。以匀速直线运动为例，传统手工测量（刻度尺 + 秒表）存在较大人为误差，而采用光电门或超声波传感器可自动采集运动小车的路程数据，通过配套软件实时生成 s-t 图像，直接显示匀速运动的线性特征（图像斜率即为速度值），使测量误差控制在 1% 以内。类似原理应用于 " 人与蹦床 " 实验时，力 - 位移传感器同步记录动态过程，通过 F-t 和 x-t 曲线清晰呈现能量转化规律（如形变最大时弹性势能峰值）。这种数字化方案不仅实现数据自动处理（如 DISLab 自动拟合曲线），更能将抽象物理规律可视化，使实验效率提升，有效帮助学生建立 " 现象 - 数据 - 规律 " 的科学认知路径，完全契合新课标对探究式学习的要求。

（三）强现实（AR）技术的应用

AR 技术融入到初中物理实验中，使得普通的物理实验不再受到客观因素的限制。我们可以借助 AR 技术看到许多不能实现或不可视的现象，在磁场的试验上利用虚拟技术展现出 3D 动态的立体模型，并且通过移动终端设备从不同角度看到不同的磁体所产生的三维磁场分布，更符合空间思维特点；电流流过元件后会在显示器中显示出电路连接、通过元件数值等信息，通过视觉提示来指引操作人正确接通电路，减少产生错误的可能性。对于学习电磁学的学生进行空间想象力测试，成绩提高了一部分（大约是 20%) ），兴趣增加了 15 百分点。国内也有不少学校制作了" 物理 AR 实验室" 的应用程序，主要实验有：AR 虚拟电磁实验、光学实验，这种新技术能够解决一般实验室实验看不到现象的问题，还可以激发学生的探索欲望，给物理实验带来一种新思路和新方式。

（四）在线协作实验平台的应用

借助数字化平台支撑异地远程协作实验，共享同学的实验数据，开展跨班甚至跨校探究。以“测量不同高度时的大气压”为例，来自山区、平原和城市的学生可使用数字化气压传感器（如DISLab）采集本地数据，通过云平台（如NOBOOK 虚拟实验室）实时共享。教师可创建实验群组，指导学生将海拔高度与气压值汇总成表格，并绘制 P-h 图像，直观展现“海拔越高气压越低”的规律。学生可在线对比不同地区数据（如平原 100kPa vs 高原 80kPa) ），分析误差原因（如温度影响），并通过互评实验报告深化理解。这种模式尤其适合农村学校，既能弥补实验设备不足，又能通过协作培养科学探究能力，使抽象的大气压强概念变得具体可感。

三、效果分析

应用数字化平台对于初中物理实验的影响表现在：提高效率、增进效果、教育公平三方面。其一，通过数字化手段对物理实验的数据采集及处理更为准确快捷，比如借助于传感器和虚拟仿真的平台实时记录与分析相关数据等；其二，利用数字化实验帮助学生更好地探究各种科学规律（如 AR 动态模拟磁场的建立过程、虚拟仿真动态演示惯性现象实验等等），提升学习的兴趣以及思维的能力，被试学生的掌握知识情况明显好于传统实验组；其三，实现教育资源分配方面的教育公平性，农村地区与相对落后学校的学生也可共享优质的实验资源。

结束语

数字化平台运用于初中物理实验中，通过此次学习实践让我切实感受到做数字化物理实验确实有很大的优势和意义，并且以后的技术发展也会朝着这个方向靠拢，把人工智能、大数据等领域融合在一起，个性化的实验、跨学科学习会更加便利。我们应当在这其中积极探索，努力促进和推动学科教育的发展。

参考文献

[1] 郑吴凡 , 周晓慧 , 陈润庠 . 教育数字化背景下的初中物理实验教学策略 [J]. 中学物理教学参考 ,2024,53(35):16-18.

[2] 黄云婷 . 基于数字化技术的初中物理实验教学 [J]. 亚太教育 ,2024,(22):14-17.

[3] 王秀平. 以数字化实验推动初中物理实验教学“减负增质”[J]. 新课程教学( 电子版 ),2024,(03):143-145.

[4] 王双虎 . 基于数字化技术的初中物理实验教学研究 [J]. 学周刊 ,2024,(03):86-88.

课题信息：本文系2024 年度济源市基础教育教学研究项目《数字化技术在农村中学理化实验教学中的应用探究与实践》（课题编号：JY242550）研究成果。

作者简介内容：姓名：赵东亮 出生年月：1975.4 性别：男 籍贯：河南省济源市轵城镇桐花沟村 民族：汉 最高学历：大学本科 职称：中小学一级教师 研究方向：数字化技术在农村中学物理实验教学中的应用 单位：