高中物理DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合初探

摘要：隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和國(guó)家新一輪課程教材改革的推進(jìn)，以傳感器和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的DIS實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)例，就DIS實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于高中物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探討，同時(shí)也指出在物理教學(xué)過(guò)程中要合理利用DIS實(shí)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效整合。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；物理教學(xué)；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003—6148(2011)9(S)-0029—4

信息技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳罘绞健⑺季S方式和教育方式，如何發(fā)揮信息技術(shù)在課程改革中的作用，也是當(dāng)前課程改革研究的一個(gè)重要問(wèn)題。《基礎(chǔ)教育改革綱要》要求：課程改革要“大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合”。《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)室，加快中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，諸如通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等”。面對(duì)新課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，我校在2007年配備了DIS實(shí)驗(yàn)。近幾年，我們將DIS實(shí)驗(yàn)有機(jī)地滲透在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。本文就此方面進(jìn)行一些探討和思考。

1 DIS實(shí)驗(yàn)及其優(yōu)勢(shì)

DIS是Digital Information System的縮寫，意為“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)(裝有實(shí)驗(yàn)軟件包)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，傳感器用來(lái)快速、高精度地實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器是連接傳感器和計(jì)算機(jī)的橋梁，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)傳感器傳輸?shù)碾娦盘?hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析，然后將結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中的專用軟件和通用軟件，以數(shù)值、圖表、曲線等各種方式表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、曲線猜想與擬合等各種分析與處理。

與單純的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)相比，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有多類型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺(tái)、多模式的數(shù)據(jù)顯示方式、強(qiáng)大的函數(shù)圖象處理，這些特色和優(yōu)勢(shì)使DIS實(shí)驗(yàn)有著十分強(qiáng)大的生命力，在物理教學(xué)中越來(lái)越顯示出它的優(yōu)勢(shì)。

1.1提高了數(shù)據(jù)的精度

DIS實(shí)驗(yàn)?zāi)艹揭恍﹤鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中誤差很大的實(shí)驗(yàn)器材，減少因測(cè)量精度方面而帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，比如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用秒表測(cè)量時(shí)間、彈簧秤測(cè)量力、電壓表測(cè)量電壓等。目前傳感器的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了力、電、磁、聲、光、熱等方面的測(cè)量。

1.2提高了實(shí)驗(yàn)的速度

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在處理數(shù)據(jù)方面總有力不從心的感覺(jué)，因?yàn)槿狈τ行У氖侄蝸?lái)處理數(shù)據(jù)，所以就不要求在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上來(lái)做研究，而數(shù)據(jù)數(shù)量少又不符合科學(xué)研究的規(guī)律。由于DIS實(shí)驗(yàn)具備實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)的功能，能快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地采集數(shù)據(jù)信息、并由計(jì)算機(jī)輔助分析處理，實(shí)驗(yàn)可以在非常短的時(shí)間內(nèi)完成。這樣可以讓學(xué)生有更多的時(shí)間去研究物理圖線，探究物理規(guī)律。

1.3彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白

由于DIS實(shí)驗(yàn)相對(duì)完善的數(shù)據(jù)處理軟件，可以設(shè)計(jì)出很多借助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置想做而做不好的實(shí)驗(yàn)。如：“牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)”，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)利用兩個(gè)彈簧秤互相鉤住向相反方向拉，通過(guò)彈簧秤的示數(shù)來(lái)說(shuō)明作用力與反作用力的關(guān)系。可是彈簧秤的精度太低了，微小力的變化根本測(cè)不出來(lái)。DIS實(shí)驗(yàn)則利用兩個(gè)力傳感器，實(shí)驗(yàn)中力的大小隨時(shí)可變，并實(shí)時(shí)顯示，拉力和推力可瞬間切換。即使在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如勻速、加速、瞬間碰撞狀態(tài)下，作用力與反作用力也盡顯圖上。觀察獲得的圖線，發(fā)現(xiàn)兩條圖線以時(shí)間軸為中心上下對(duì)稱(圖1)。一對(duì)相互作用力大小相等方向相反的規(guī)律得以淋漓盡致地展現(xiàn)，體現(xiàn)了物理的對(duì)稱美。

1.4改變了學(xué)習(xí)的方式

DIS實(shí)驗(yàn)更有利于創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景，營(yíng)造探究氣氛。豐富的傳感器可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)，信息化的實(shí)驗(yàn)手段可以拓展學(xué)生探究日常生活中物理現(xiàn)象的能力，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和開(kāi)放的平臺(tái)有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題尋找規(guī)律，有利于學(xué)生將計(jì)算機(jī)知識(shí)(如EXCEL處理數(shù)據(jù)方法)引入物理實(shí)驗(yàn)，從而能激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

2 DIS實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

DIS實(shí)驗(yàn)具有方便、精確、快速等優(yōu)勢(shì)，在物理實(shí)驗(yàn)中具有直觀形象、化小為大、化遠(yuǎn)為近，動(dòng)靜變化、快慢可調(diào)、重復(fù)再現(xiàn)等功能，成功克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合。

2.1使抽象過(guò)程可視化

當(dāng)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)相關(guān)的物理過(guò)程時(shí)，運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)的傳感器技術(shù)使實(shí)驗(yàn)過(guò)程可視化，有利于學(xué)生對(duì)物理過(guò)程的理解。例如，在彈簧振子的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生很難同時(shí)觀察到回復(fù)力、加速度、速度和位移四個(gè)物理量在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的大小和方向，理解起來(lái)十分困難。若利用力傳感器和位移傳感器，直觀顯示彈簧振子的振動(dòng)圖像(圖2)呈正弦規(guī)律變化。不僅能讓學(xué)生“看到”力的變化過(guò)程，還能夠“看到”位移的變化過(guò)程。

2.2使暫態(tài)現(xiàn)象凝固化

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，一些物理現(xiàn)象雖非微小信號(hào)，但持續(xù)時(shí)間很短，比如自感現(xiàn)象“暫態(tài)”特征突出，實(shí)驗(yàn)難度大。基于傳統(tǒng)儀器，物理現(xiàn)象的表現(xiàn)不過(guò)是小燈泡的瞬間明滅或電流表(電壓表)指針的快速擺動(dòng)。面對(duì)儀器的瞬間變化，學(xué)生的思維來(lái)不及跟隨，實(shí)驗(yàn)效果受到影響。因此，怎樣捕捉暫態(tài)信號(hào)，把物理過(guò)程的瞬間變化凝固下來(lái)讓學(xué)生仔細(xì)觀察和分析，一直令教師們傷腦筋。在自感現(xiàn)象中引入電流傳感器后，即可得到兩條清晰展示通電自感與斷電自感現(xiàn)象全過(guò)程的圖線(圖3)，使學(xué)生直觀地看到自感對(duì)電流的影響，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象的本質(zhì)。接著啟用傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象演示器，展示兩只小燈泡的亮度變化，驗(yàn)證學(xué)生分析推理的正確與否。學(xué)生由被動(dòng)地聽(tīng)講變成了主動(dòng)參與，大大提高了課堂教學(xué)的效果。

2.3使微觀現(xiàn)象放大化

聲波作為機(jī)械波的特例，其振動(dòng)強(qiáng)弱變化也可以用該系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示，聲傳感器可以直接檢測(cè)聲音的振幅衰減過(guò)程，在計(jì)算機(jī)上可以清晰地看到這一過(guò)程，同時(shí)利用聲傳感器也可以檢測(cè)到聲源振動(dòng)的頻率，栩栩如生，一目了然。

2.4可開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)

利用DIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以將傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)探究，為學(xué)生開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)與素材。例如研究通電螺線管內(nèi)磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量的研究，但利用DIS實(shí)驗(yàn)，可以利用磁場(chǎng)傳感器探究螺線管探究不同位置的磁感強(qiáng)度。

3 DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合策略

DIS實(shí)驗(yàn)與高科技相聯(lián)系，為中學(xué)物理教學(xué)增添了一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。但是，DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各有長(zhǎng)處和短處。在同時(shí)面對(duì)傳統(tǒng)與新技術(shù)的時(shí)候，我們更應(yīng)該客觀地審視它們，合理有效地利用它們，努力實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將兩者有機(jī)地整合起來(lái)。

3.1整合實(shí)驗(yàn)儀器

盡管DIS實(shí)驗(yàn)代替了部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，但應(yīng)在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。例如，進(jìn)行“自感現(xiàn)象”教學(xué)時(shí)，自感現(xiàn)象演示儀器仍“位居前排”，但連接在電路上的不是演示電表，而是DIS實(shí)驗(yàn)的電流和電壓傳感器。這一改變使得原來(lái)只能憑借小燈泡的明滅和演示電表的擺動(dòng)進(jìn)行觀察的自感過(guò)程，通過(guò)“電流、電壓一時(shí)間”圖線而獲得清晰體現(xiàn)，學(xué)生對(duì)自感現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)深度大大提升。

3.2整合實(shí)驗(yàn)方法

學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握有其自身規(guī)律，直觀的感性認(rèn)識(shí)往往是進(jìn)行抽象、歸納的前提，在很多實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)的方法常有其特別的優(yōu)勢(shì)。例如在高一進(jìn)行超重與失重的實(shí)驗(yàn)中，就有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)兩套實(shí)驗(yàn)方案。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中一般會(huì)讓學(xué)生手持下端掛鉤碼的彈簧秤，在電梯上升、下降過(guò)程中觀察彈簧秤示數(shù)的變化；在DIS實(shí)驗(yàn)中就是手持吊有鉤碼的力傳感器在垂直方向做變速運(yùn)動(dòng)，即可獲得清晰的“力一時(shí)間”圖線，并從中觀察到超重、失重現(xiàn)象(圖4)。對(duì)比這兩種實(shí)驗(yàn)方法，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更注重為學(xué)生的觀察和體會(huì)提供最直觀生動(dòng)的現(xiàn)象，而DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更多是利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，雖然后者更科學(xué)，但對(duì)于高中階段學(xué)生的理解和歸納能力而言，直觀現(xiàn)象比抽象數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生獲取知識(shí)更有幫助。所以在超重與失重教學(xué)中，我們整合了兩種實(shí)驗(yàn)方法，以前者為主，后者為輔，相輔相成，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

3.3整合買驗(yàn)?zāi)芰?/p>

實(shí)驗(yàn)操作能力是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基本能力，正確而有序的實(shí)驗(yàn)操作，是我們達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡哪繕?biāo)之一。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要的測(cè)量?jī)x器較多，操作時(shí)間較長(zhǎng)，需要多次觀察，重復(fù)測(cè)量，有利于培養(yǎng)學(xué)生耐心的觀察習(xí)慣。而DIS實(shí)驗(yàn)不需要觀察儀器的刻度、構(gòu)造、使用方法，操作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)操作技能，有利于學(xué)生掌握利用現(xiàn)代化信息技術(shù)學(xué)習(xí)、拓展知識(shí)的能力。另外傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算或描點(diǎn)作圖，分析歸納，才能得出結(jié)論，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力、作圖能力以及利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力。DIS實(shí)驗(yàn)中計(jì)算、描點(diǎn)、作圖的工作都由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，更側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)形結(jié)合能力、對(duì)知識(shí)規(guī)律的探究能力，以及根據(jù)信息構(gòu)建物理模型的能力。

總之，DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不是要否定和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而是與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)共存與互補(bǔ)，相輔相成。在物理教學(xué)過(guò)程中既要提倡DIS實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于高中物理教學(xué)，又不能偏廢傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)。我們應(yīng)該從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，因情制宜，適時(shí)選擇和合理整合，方可揚(yáng)長(zhǎng)避短，相得益彰。

(欄目編輯 趙保鋼)