從勻變速直線運動的位移公式談物理教學與傳感信息技術的整合

　　現代信息技術給教育改革帶來了勃勃生機，其中利用傳感器技術實現的非物理量的測試與控制技術，已越來越廣泛地應用于各行各業，而且也正逐步引入到中學物理教學中。下面以學習勻變速直線運動的位移公式為例，談談我對物理教學與傳感信息技術的整合的思考和認識。
　　
　　勻變速直線運動教學的現實困難
　　
　　勻變速直線運動是機械運動中的重要運動，其中對位移公式的推導和理解是教學的難點。常規教學中對這一公式的推導方法要么不利于新課程所提倡的探究論、過程論的實施，要么難理解、誤差大、繁瑣效率低。雖然信息技術手段引入后，教師可使用現代的計算機輔助教學軟件和多媒體素材庫來輔助教學，或采用可視化的模擬實驗，或由課件直接給出圖像，或從靜態的圖表發展到動態模型，幫助學生理解所學的知識。但由于模擬實驗畢竟不是真實實驗，其可信度不高，如果長時間采用這種方式教學，學生的實驗操作能力，設計、創新的能力都得不到應有的訓練。而且課件還存在無法應對突發的錯誤、交互技術不完善等缺陷，所以這些課件并沒有在方法、手段上實現實質性的突破，仍不能解決常規教學中的難題。它沒有實現真正意義上的整合，信息技術與物理教學仍然是兩張皮。
　　
　　與傳感信息技術的整合
　　
　　在這部分知識的教學中，我們的目標是想尋找位移(s)隨時間(t)變化的規律，而常規實驗儀器的困難在于無法完成對運動物體的位移及其相應時間的動態即時測量。如果引入位移傳感器進行該實驗，展開教學，就出現了完全不同于以往的教學思路和效果。
　　我們采用的是DIS數字實驗室系統進行實驗，其位移傳感器分為發射模塊與接收模塊兩部分（如圖1所示），能不斷向外發射紅外線和超聲波的發射模塊隨小車在傾斜軌道上加速運動，接收模塊將接收到的信息通過數據采集器輸入計算機，相應的軟件通過紅外線和超聲波的時間差來確定兩個模塊之間的距離，依此確定各個時刻發射模塊（小車）發生的位移，測量的原始數據可以用表格進行呈現，也可以將這些數據直接呈現在s-t圖像中。
　　
　　當學生通過實驗獲得數據后，計算機完成了機械的繪圖工作，學生可對選定的區域自由地進行擬合，配套軟件提供了一系列數學函數圖線去擬合選定區域內圖形的功能（如圖2左下側所示），幫助學生驗證自己的猜想。
　　
　　如圖3所示，學生進行線性擬合后發現線性擬合函數與原始數據偏差較大，說明位移不是時間的一次函數。經探究后學生會發現二次擬合線與選取區域的原始數據比較吻合，說明位移是時間的二次函數。計算機和配套軟件還提供了與這些擬合線相對照的數學函數方程供學生參考。
　　
　　由于所進行的是一個真實的實驗，教師可以有意識地暴露實驗中的矛盾，引導學生發現問題。如：此實驗中的三次擬合線與選定區域的原始數據重合得相當好，是偶然的實驗誤差還是位移是時間的三次函數？學生不斷地改變實驗條件，結果發現每次重合得都很好，這就排除了偶然誤差。最后學生通過計算機提供的三次擬合函數方程找到了問題的癥結：其三次項系數趨近于零，也就是三次項幾乎不成立，更說明了位移是時間的二次函數。
　　學生經多次探究后發現位移是時間的二次函數，即s=at+bt2，基本上完成了本節課的教學任務。至于“系數a和b各與哪些物理知識有關”的教學，教師可根據教學時間和學生情況靈活地調整，既可直接進行傳遞式教學，也可組織學生展開討論、提出猜想并利用手邊的實驗器材方便地改變實驗條件，如斜面高度、初速度大小、在小車上加砝碼等，進一步地探究a和b的本質。
　　
　　運用傳感技術進行實驗的優勢
　　
　　1.用位移傳感器研究勻變速直線運動，實現了位移這一過程量的測量，填補了高中實驗的空白。
　　2.采用傳感器進行教學，將以往教師為主的“教”轉變成了以學生活動為主的“探”， 學生真正經歷完整的科學研究過程，發展了學生的探究能力。
　　3.借助信息技術每秒鐘數萬次的數據采集和處理量是傳統實驗根本無法相比的；提高了實驗效率，拉近了學生與現代高新科技之間的距離；也將數學函數與圖形相結合的數形思想和物理情景及其物理意義交融在一起，有助于培養學生理性思維和建立數理統一的觀念。
　　4.在實驗過程中，同一組學生必須分工合作才能完成實驗，發現問題時相互討論，共同尋找解決問題的方案。這種協作式學習有利于培養學生的合作精神，使各層次的學生都有所發展，為更多學生提供了一個施展才能的舞臺。
　　5.由于所有的數據都基于真正的實驗，教師可以有意識地暴露實驗中的矛盾，如在這一實驗中教師可以引導學生觀察二次擬合線和三次擬合線在選定區域的原始數據都重合得相當好，這是為什么？引導學生進行更深層次的探究。