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第七讲 运用数字化工具探究数理知识的实验报告

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发表于 2019-11-2 09:26:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
第七讲 运用数字化工具探究数理知识的实验报告
一、引言
    在人类的生产、生活和研究活动中,人们会不断学习、总结、发现认识自然、探究规律的方法。而“做实验→获取观察数据→分析处理数据→推理建立数学模型→实验验证模型→形成知识→应用知识解决问题”是一条非常有效的知识发现路径。
二、实验目的
    未来教室里,教师们运用Python、思维导图、网络画板等各类数字化学习工具进行个性化教学,使教学更加形象、直观、易懂;同学们利用数字化学习工具进行个性化学习,不仅可以开阔视野、开发思维、启迪智慧,而且可以直观地感受知识形成的过程,提高学习效率。
    体验数字化学习过程,理解数据、信息与知识的相互关系,感受利用数字化工具和资源的优势。
三、实验内容与步骤
   1.实验内容
   运用数字化工具探究数理知识的实验内容包括:
   (1)探究电流与电压、电阻的关系。
   (2)用“网络画板”体验投针实验。
   2.实验步骤
   运用数字化工具探究数理知识的实验步骤包括:
  (1)收集实验数据。
  (2)分析数据,建立模型。
  (3)实验验证模型。
  (4)利用数字化工具进行数学实验。
四、实验工具与方法
   利用思维导图工具和“头脑风暴”的方法组建团队、明确任务;
   采用结构化的系统分析方法,使用可视化分析工具,实施探究。
五、实施实验过程
     实验1:欧姆在研究电流与电压、电阻关系的实验利用了控制变量法,即保持电压不变,探究电流和电阻的关系;或保持电阻不变,探究电流和电压的关系。我们运用Python工具,利用控制变量法采集实验数据,研究当导体电压保持不变时,通过导体的电流随导体电阻变化的规律。
1.收集实验数据
(1)连接电路图如右图所示。连接电路时注意:接线时开关要断开;闭合开关前,滑动变阻器的滑片要滑到最大阻值处。
(2)把电阻 R1(记下阻值)接入电路,移动滑动变阻器的滑片,使电压表示数U=3 V,记录电流表示数 I1。
(3)把电阻 R1 换成电阻 R2(记下阻值),再次移动滑动变阻器的滑片使电压表示数U=3 V,记录电流表示数 I2。
(4)如此类推,把电阻 R9 换成电阻 R10,再次移动滑片使电压表示数U=3 V,记录电流表示数 I10。
所得到实验数据如表2-2所示。
2.分析数据,建立模型
运用Python工具处理数据,绘制图像。
(1)绘制散点图。把表2-2中的数据输入Python绘制散点图程序(程序如图中所示)中,执行程序后得到如下图所示的电流 I 与电阻 R 关系数据散点图。
(2)在“绘制散点图”程序中加上指令“plt.plot(x0,y0)”,执行程序后,得到如下图所示的电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图。
3.实验验证模型
观察电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图后,猜想电流 I 与电阻 R 的关系是反比例关系,于是按 I =U÷R的关系对数据作曲线拟合。利用曲线拟合程序,执行后得到如下图所示的电流I与电阻R关系数据曲线拟合图。其中,U=2905.67607341 mV与电压表的示数基本吻合, 即 :
I =2905.67÷R
    经过推理和实验验证,电流 I 与电阻 R 反比例关系成立,即I =U÷R。
4.利用数字化工具进行数学实验
    数字化工具是指能够采集、获取、检索、表示、传输、存储和加工多媒体数字化资源的设备装置。
    在信息时代,学习者不仅可以向教师与课本学习,而且还可以高效利用数字化工具与资源的优势,在数字化学习环境中,与学伴和教师高效开展自主、协作、探究学习,创造性地完成具体的学习任务。
实验2: 投针实验。蒙特卡洛方法是计算机模拟的基础,起源于18世纪数学家蒲丰的“投针实验”。投针实验是指在平面上画有一组间距为d的平行线,将一根长度为l(l≤d)的针任意掷在这个平面上,求此针与平行线中任一条相交的概率。这是一个数学上的概率问题。
    当人们反复进行大量的随机投针实验后,发现了一个独特的现象,即针与平行线中任一条相交的概率是一个常数。那这个常数的倒数是什么呢?下面我们利用开放共享的“网络画板”平台模拟投针实验,体验使用计算机模拟随机实验处理确定性数学问题的思维方法。我们设定平行线的间距d=1,针长l=0.5,抛掷次数a从100到5000,k为记录针与平行线中任一条相交的次数,探究针与平行线中任一条相交的概率的倒数P=a/k的变化。具体操作步骤如下:
(1)在线打开“网络画板”平台,点击“开始作图”按钮,进入画板的作图界面。
(2)点击“文件”菜单的“打开本地文件”按钮,打开并运行投针实验.npc,如下图所示。
(3)点击“抛掷”按钮,开启或停止“抛掷”,观察P值的变化,重复多次操作,可发现P≈π的近似值,如下图所示。
六、实验结果
    1.知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果,能够精确地反映事物的本质;智慧是应用知识解决问题的实践创新能力
    知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果,能够精确地反映事物的本质。它来源于实践,经过加工提炼,又高于实践。知识由概念、事实、规则三个基本要素组成,它不仅可以反映个别事物运动状态及其具体的变化方式,更可以反映一类事物运动状态及其共同变化规律。
   智慧是达到预定目标,所具有获取、选择、应用知识解决问题的实践创新能力。数据是现实世界客观事物的符号记录;知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果,能够精确地反映事物的本质;智慧是应用知识解决问题的实践创新能力。
   2.数字化资源与学习工具,可以有效地管理学习过程与学习资源
    数字化学习与创新是指个体通过评估并选用常见的数字化资源与工具,有效地管理学习过程与学习资源,创造性地解决问题,从而完成学习任务,形成创新作品的能力。具备数字化学习与创新能力的学生,能够认识数字化学习环境的优势和局限,适应数字化学习环境,养成数字化学习与创新的习惯;掌握数字化学习系统、学习资源与学习工具的操作技能,用于开展自主学习、协同工作、知识分享与创新创造,助力终身学习能力的提高。
    因数字化学习环境和资源利用方式不同,学习工具、途径和方法多样,数字化学习模式也不尽相同。因此,只有牢固树立数字化学习的意识,学会数字化学习的技术手段和方法,养成数字化学习的习惯,才能促进终身学习,实现自主发展。
七、结语
    本章通过“运用数字化工具探究知识”项目,进行自主、协作、探究学习,让同学们体验数字化学习过程,理解数据、信息与知识的相互关系,感受利用数字化工具和资源的优势,从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中,促进信息技术学科核心素养达成,完成项目学习目标。

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