從DIS與傳統實驗的特點談中學物理實驗類型的選擇

董光順

(曲靖一中 云南 曲靖 655000)

隨著新課程改革的推進，數字化物理實驗得到了較好的推廣和發展，在發達地區甚至已經普及.數字化實驗的出現彌補了傳統實驗的技術空白，使得實驗手段逐步趨于多元化，但與此同時，面對傳統實驗和數字化實驗各自的優勢和不足，越來越多的教師開始困惑，以DIS為代表的數字化實驗和傳統實驗哪種更符合學生的發展需求，更有不少教師采取了抵觸DIS或者徹底拋棄傳統實驗的極端做法.鑒于此，基于數字化實驗與傳統實驗的各自特點，筆者就中學物理實驗中，如何以實驗教學目標為導向對實驗類型的選擇進行一些探討，并結合部分案例扼要說明.

1 簡述數字化實驗的功能特點

目前，對數字化實驗作出詳細介紹的文章已經很多，此處便不再贅述，現筆者僅結合自身對數字化實驗的理解，對其功能特點作扼要介紹.

(1)測量范圍廣，彌補了傳統實驗的局限性或空白.

數字化實驗憑借對信息化技術的應用，利用磁敏元件、光敏元件、聲敏元件、特種G-M計數管等器件開發了一系列類似于磁感應強度的測量，放射性物質輻射強度的測量，微小電流信號的測量等很多采用傳統實驗手段做不好或做不了的實驗，彌補了傳統實驗的空白，有效地拓寬了基礎性實驗的教學范圍.

(2)實時測量并記錄數據，便于展示測量數據在過程中的變化，并增強了數據的對比性.

利用實驗數據的連續測量和實時記錄的特點，結合計算機軟件，可將測量對象在整個過程中的變化情況更便捷、清晰地展現出來.另外，基于數字化實驗的這一特點，在做牛頓第三定律等實驗時,可將作用力與反作用力大小關系對比地展示出來.

(3)測量精度高、靈敏度好，節省數據處理時間，改變了實驗課堂的時間分配和重心.

數字化實驗的數據采集方式和記憶功能，為學生進行多組實驗的采集和處理節約了很多時間.根據數字化實驗研發中心對數字化實驗課堂與傳統實驗課堂中，學生在各環節的活動時間進行調查,獲得如圖1所示的結果.該結果顯示數字化實驗成功地將課堂重心傾向于物理知識和規律的探索研究，當然，也弱化了學生在操作、計算、歸納等方面能力的培養.

圖1 傳統實驗與數字化實驗學生活動時間分配對比圖

(4)實驗系統原理復雜，增大了學生對儀器原理的認知難度，影響學生對知識的構建.

長期以來，在國內外都要求中學物理實驗尤其是演示實驗要簡潔、直觀并突出重點，例如，美國的《美國科學教育標準》就提倡不用昂貴的或精密的儀器，而鼓勵教師直接從日常生活用品中取材，經過匠心獨運的設計，引導學生觀察、探究.

在學生對于傳感器、數據采集器、計算機編程語言和圖像模擬等方面涉及到的知識零儲備的背景下，數字化實驗中數據信息的獲得和處理涉及到的信號發射、接受、輸入、處理、顯示等系列復雜的過程，超出了中學生的認知能力.加之多數教師對數字化實驗軟、硬件系統的了解程度不深，數字化實驗相關資料匱乏等重要因素，對于學生而言，DIS實驗雖然如此神奇，卻難免變得神秘，對于不在少數的學生而言，數據的獲得和處理過程猶如“暗箱操作”. 筆者認為，學生對一個陌生物理規律的習得，必須建立在其堅信這一系列過程具有科學性和嚴謹性的基礎之上，否則，對于這一部分學生而言，數字化實驗將無異于虛擬的課件，同時,他們對一個物理內容的理解程度，也必將受到對相關內容構建過程中，所涉及到的事件的理解程度的影響.DIS系統的“神秘性”，一定程度上影響了實驗教學功能的實現.

(5)DIS系統的過度智能不利于部分重要基礎能力的培養.

DIS進入中學課堂伊始，不少師生就將其定位為“傻瓜機”，當然，這是一種有失客觀的評價.但毋容置疑，過多地依賴于DIS對于實驗數據的智能采集、智能處理，必將弱化很多傳統實驗課堂所關注的類似于多用表、游標卡尺、螺旋測微器、打點計時器等大量經典儀器的操作能力，以及數據記錄、運算和作圖、歸納等基礎能力的培養.

優秀的傳統實驗卻恰恰具備了設計巧妙，過程明了，現象簡潔、直觀，能夠有效培養學生基礎能力等功能特點.

2 傳統實驗與數字化實驗形式的選擇

在物理實驗教學中，實驗形式和方案的選擇不僅僅取決于實驗目的，還應關注實驗過程中的能力、方法等過程目標，而實驗形式和方案是否得當又很大程度影響了這些目標的達成.那么，怎樣科學、得當地選擇實驗形式和方案？筆者認為，實驗方案的選擇一定要以實驗目標為導向，并基于兩種實驗形式各自的功能特點進行.在此，筆者按類別結合一些典型的例子給予說明.

類別1：基于DIS測量的廣泛性和精確性，中學物理傳統實驗中類似于放射源、微電流測定等一類想做而做不了或者想做而做不好的實驗，在數字化條件下可順利完成，尤其是電磁學、熱力學和原子物理的實驗部分.

類別2：基于DIS數據的實時測量和圖像的對比展示功能，動態地展示研究量在變化過程中的性質，增強現象的對比性.

實例1：在牛頓第三定律的驗證實驗中，傳統的做法是，利用彈簧測力計對拉，用眼讀數并比較不連續的狀態下，兩個作用力的大小關系.而我們寄希望測量數據更為精確，并且能夠讓學生觀察到在施力變化的整個過程中，兩個力的大小持續相等，從而突出牛頓第三定律的普適性.

數字化實驗的使用，如圖2所示，不僅很好地完成了實驗的知識性目標，還有效避免了因測力計中彈簧的形變性能、讀數誤差、實驗者在讀數過程中施力的微變化等因素造成的誤差.

圖2 牛頓第三定律的演示

圖3 用力傳感器拉動木塊

實例2：傳統實驗中，我們苦惱于摩擦力不可直接測量，希望能夠通過實驗探究靜摩擦力的大小并展示最大靜摩擦力.在這樣的既定實驗目的下，結合DIS的實時測量和圖像的對比展示功能，使用力傳感器記錄緩慢拉動木塊(圖3)時力的變化,獲得如圖4所示的實驗結果.展現了摩擦力在實驗中的實時漸變過程，并清晰地展示了物塊從靜摩擦力到滑動摩擦力的過渡，使得最大靜摩擦力變得“可視化”.

圖4 用力傳感器拉動木塊時力的變化

類別3：基于傳統實驗設計巧妙,現象直觀和重點突出等特點，可利用傳統實驗構建物理情境，定性地展示物理規律.

系列實例：在教學實踐中，很多傳統實驗的使用能較好地為學生搭建物理情境，構建知識，或將系列抽象的規律直觀地展現出來，諸如，此類的經典傳統物理實驗還有很多，例如“水流星”實驗(圖5)、曲線運動速度方向演示實驗(圖6)、碰撞(圖7)、共振實驗(圖8)、耦合擺(圖9)等.

圖5 “水流星”實驗

圖6 曲線運動速度方向演示

圖7 碰撞

圖8 共實驗實驗 圖9 耦合擺

諸多經典的傳統實驗，在設計的巧妙性和趣味性上都是獨具優勢的.從實驗教學功能的理念層面上來看，這些實驗非常符合學生的認知特點；在學生能力培養的層面上，經典的傳統實驗儀器和過程，能夠很好地激發學生的創新意識并提高其創造能力；從教學實踐層面上而言，很多傳統實驗能創造情境，激發興趣，并直觀地突出研究元素.

類別4：在數字化實驗出現前，利用傳統實驗手段也能較為精確地測量一些物理量.對于這一類別的實驗，更要基于兩種實驗形式的功能特點，結合實驗的教學目標進行選擇.此處以加速度的測量為例展開說明.

(1)實驗設備的比較如圖10,11所示.

圖10 打點計時器研究勻變速運動加速度

圖11 DIS研究勻變速運動加速度

(2)所測得數據的比較如圖12和表1第1～5列所示.

圖12 打點計時器所測得的數據

數據序號t1/st2/st12/sd/mv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)a/(m·s-2)10.063060.035250.741960.0300.47570.85110.506020.066740.035830.766010.0300.44950.83730.506330.075370.036990.817910.0300.39800.81100.504940.080700.037580.847060.0300.37170.79830.503650.063110.035250.742080.0300.47540.85110.506360.055490.036100.575390.0300.54060.83100.504770.052170.035130.551420.0300.57500.85400.506080.064200.038160.632070.0300.46730.78620.504590.073550.039870.685430.0300.40790.75240.5026100.083190.041170.733300.0300.36060.72870.5020

(3)處理結果的比較如圖13和表1第6～8列所示.

圖13

(4)教學功能特點的比較如下.

打點計時器所達成的教學效果:

1)能有效鍛煉操作、計算、作圖等基礎能力.

2)實驗原理和操作過程清晰、明確.

3)能更好地體驗加速度的獲得過程.

4)能感受到實驗中誤差的存在和真實性.

5)能有效地鍛煉Δs=aT2的應用.

6)能鞏固練習“中間時刻的速度與平均速度”的規律.

7)便于學生直觀感受相同時間內a與位移的變化量的關系.

8)過程繁瑣，花費時間較多.

DIS實驗所達成的教學效果:

1)能較精確、快速地獲得加速度，為課堂其他環節贏得時間.

2)體會計算機技術在物理規律探究中的應用.

3)實驗的軟、硬件系統復雜，超出學生認知水平，部分學生對結果的獲得會存有疑慮.

4)實驗系統的智能性弱化了基礎能力的培養，可能造成部分學生對計算機的過度依賴.

情形1：若此節課的教學目標是認識和測量加速度，并希望在實驗過程中培養學生利用已有知識解決問題的能力，鍛煉學生計算、作圖等基礎能力，那么,結合兩種實驗形式所達成的教學功能的特點，應選擇傳統實驗展開實驗.

情形2：若實驗中的加速度僅作為一個用于比較的物理量，例如“探究加速度、質量與力之間的關系”實驗中，希望盡可能快捷、精確地獲得加速度，從而將課堂重心放在三者關系的探究上，那么，無疑要選擇數字化實驗.

綜合而言，在知識構建方面，傳統實驗在諸多物理規律的定性展示和探究方面見長，而DIS在物理量的定量測量、動態的過程分析方面有著不可替代的優勢.在能力培養方面，DIS將新技術元素融合于物理實驗課堂，改變了課堂時間的分配結構，為學生探究、質疑能力的養成贏得了更多的時間，不過在教學實踐中，由于受到很多因素的影響，這些能力培養的實效性還差強人意，而傳統實驗能夠有效地提高學生計算、作圖、歸納等一些重要的基礎能力.在情感態度與價值觀方面，DIS融合了計算機、傳感器等當代較為先進的科技元素，加強了物理課堂與科技社會的聯系，而傳統實驗卻更為本真地保留了物理規律獲得的探索歷程.

不論是傳統實驗還是數字化實驗都各有優勢和不足，在教學實踐中絕不能將其置于兩個對立面.只有基于兩種實驗各自的特點，緊扣實驗的教學目標,充分認識并開發這兩類實驗的教學功能，協調互補，才能更為有效地實現教學目標.

參考文獻

1 孫素娟.高中物理傳統實驗教學方法的改進:[學位論文].上海：上海師范大學，2009