物理DIS實驗對學生能力培養研究：以探究氣體壓強與體積關系為例

◆王麗玲

作者：王麗玲，南京師范大學教師教育學院研究生，主要研究方向為學科教學（物理）（210046）。

1 問題的提出

隨著科學技術的不斷發展，教育改革幾經風雨，現代教育技術在教學中的地位有了很大的發展。物理作為一門以實驗為基礎的科學學科，在新課改的影響下，實驗教學的認識和方法也有了很大的進步，學生的主體性逐漸得到重視。我國教育部2003年頒布的高中物理課程標準中提出：“重視將信息技術應用到物理實驗室，加快中學物理實驗軟件的開發和應用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據，分析實驗結果等。”[1]新技術DIS（Digital Information System，數字化信息系統）實驗在物理實驗中的廣泛運用，將物理教學改革推上一個新的平臺。現行的高中物理教材中就介紹了大量用傳感器進行的物理實驗。

在對教學實踐的研究中發現，在物理課堂教學中引入DIS數字實驗系統，對新課改教學目標的實現有很大的促進作用。文章列舉“探究氣體壓強與體積關系”的DIS實驗分析，論述DIS實驗對學生能力培養的積極作用。

2 DIS的定義及組成

DIS實驗系統是由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）+計算機”構成的新型實驗系統，利用計算機接口技術進行相關物理量的采集、測量、記錄及處理等，實現聯合計算機技術的中學物理實驗設備的開發[2]。其中傳感器主要包括位移、溫度、壓強、電流、電壓、力、聲波、磁等多種傳感器，它們實時地動態測量各種物理量并把它們轉化成電信號送入數據采集器，數據采集器將采集的電信號輸入計算機，最后由計算機對數據進行處理并顯示。

DIS實驗系統不僅可以完成傳統實驗，而且可以克服傳統物理實驗儀器的各種弊端，完成一些傳統實驗很難進行的實驗，從而實現信息技術與物理教學的全面整合，有利于培養學生科學的實驗精神。

3 實驗研究

1）實驗目的：驗證玻意耳定律。

2）實驗原理：當溫度T不變時，一定質量氣體的壓強與體積的乘積為定值。即：P-V圖線是雙曲線的一支；P-1/V圖線是一條經過原點的直線。

3）實驗儀器：計算機、數據采集器、注射器、壓強傳感器。

4）實驗裝置如圖1所示。

圖1

4 DIS實驗對學生能力的培養

4.1 實時處理數據，減輕負擔，激發興趣

在實驗過程中，學生將壓強傳感器與數據采集器連接，通過壓縮注射器，實時記錄注射針筒中壓強數值的變化，如表1所示。

表1

學生處理信息的能力和時間是有限的，DIS對信息的實時記錄、處理都很準確，提高了課堂效率，節省了時間，讓學生有更多的時間去思考、探究實驗中的現象和問題。在傳統實驗中，為了培養學生的動手能力，要求學生多次測量數據，并且進行數據處理。但這樣會導致學生在實驗過程中花費較長時間做重復勞作，反而對實驗中可能會出現的問題沒有太多的時間去分析和思考，喪失學習的主動性和探究性[3]。DIS有效促進了物理教學的高效進行。

4.2 動態展示現象，促進物理知識學習

DIS不僅在實驗設備和數據采集上改進，還融入表格、圖像等具有表象性的形式來顯示和處理數據，直觀地揭示所要研究的物理量之間的關系,如圖2、圖3所示。

圖2是壓強P與體積V的函數關系，圖3是壓強P與體積的倒數1/V的函數關系，學生一眼就可以看到氣體壓強與體積的倒數是正比例函數關系，即線性關系，從而理解并得出結論：氣體壓強與體積的乘積是定值。

圖2 P-V

圖3 P-1/V

傳統的教學很多時候不能與實驗結合，形象顯示物理現象。運用DIS可以向學生展示事物之間的本質關系，使學生更加容易理解實驗原理和規律，有利于學生對所研究物理量之間定性和定量的探究。直觀的視覺感受，在學生建立知識體系的過程中更具有說服力。

4.3 放大實驗誤差，鍛煉學生科學實驗

在習得理論知識的基礎上，教師可以引導學生再一次仔細觀察實驗所得數據，并放大實驗圖像，提出疑問：按照玻意耳定律，氣體壓強與體積的乘積是定值，那么P-1/V的圖像應該是嚴格的正比例函數，如圖3所示，為什么實驗得到的圖像卻不是過原點的？

學生也許會很快想到實驗中由連接注射器與壓強傳感器的橡膠管所帶來的明顯的系統誤差，會影響到氣體體積的正確記錄。教師可以指導學生修正橡膠管內的氣體體積，畫出V-1/P的圖像，則截距就為橡膠管內的氣體體積。重新實驗，得到圖像如圖4所示。

圖4

圖5

雖然實驗圖像修正不少，但是還是存在一點兒誤差，那是因為實驗中操作不完善帶來的系統誤差。這種不是很顯性的系統誤差是學生很少會注意到的。這時就需要教師進一步讓學生體驗實驗的方法和過程，通過探索和質疑，引導學生對注射器初始體積這一因素對實驗的影響進行思考。學生可以在比較的實驗中，發現注射器的初始體積越大，實驗的誤差就越小，最后得到相對比較理想的實驗圖像，如圖5所示。

運用DIS實驗輔助物理教學，能夠即時點出實驗中的問題，促進學生的思維碰撞，使得學生能夠充分進行科學探討，有助于培養學生多視角觀察和分析，鍛煉學生實驗的科學性。

4.4 學生自主實驗，培養實驗創新精神

基于DIS的物理實驗，激發學生探索的興趣，注重實驗探究過程中學生的主體地位，培養學生主動探索、擅于思考的科學態度，從而為學生的創新打下基礎，這與新課改的理念是相一致的。《普通高中物理課程標準》指出：高中階段的物理課程要給學生提供必要的科學探究機會，讓學生通過自己思維、動手實驗、查閱文獻等，體驗探究過程的曲折和樂趣，發展科學探究的能力，增強對科學探究的理解[1]。

圖6

教師可以給予學生一定的時間，讓學生再思考其他可能影響實驗的因素，比如：是拉伸注射器活塞的實驗效果好還是壓縮好？比較效果如圖6所示。

圖6是拉伸注射器活塞的實驗P-1/V圖像，可以與圖5比較得到結論：在同等情況下，壓縮活塞的實驗誤差較小。

教師還可以引導學生思考：怎樣用注射器和力傳感器測大氣壓強？

把學過的知識運用到實驗中，有利于培養學生的知識應用能力和創新思維能力。自主設計實驗過程可以讓學生對生活、生產、自然現象產生興趣，為創新提供思想基礎，讓學生養成遇事就要思考的習慣，長期的思考習慣能催生新的創新因子[4]。物理教師在教學過程中不僅要激發學生的學習興趣，更要注重發現學生的創新因子，引導學生形成創新能力。

5 總結與反思

1）教師首先要清楚地認識到，現代教育的實施離不開現代化技術，DIS能將現代化的教育手段應用于物理實驗教學。教師在教學實踐過程中要充分發揮DIS實驗的優越性，將物理概念形象化，便于學生理解。

2）教師要使學生從被動接受到主動探究、建構知識、獲得技能，利用DIS去發現、體驗、感悟，使學生學會對信息的獲取、分析、判斷、選擇、處理，充分發揮學生的主體性，培養學生的合作能力、團隊精神[5]。

3）在實驗教學中，應用DIS不僅僅顯示現代技術的提高，更體現教育觀念的進步。教師應該充分借助DIS實驗系統的多樣功能，引導學生主動探索，激發學生產生更多的創新靈感，培養學生的創新精神和實踐能力。

[1]普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京:人民教育出版社,2003.

[2]劉炳升,仲扣莊.中學物理教師專業技能訓練[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]姚維貴.“氣體壓強與體積的關系”DIS實驗研究[J].物理教學探討,2005(12):50-51.

[4]徐銳.DIS數字實驗系統在物理教學中的作用[J].現代教育技術,2008(6):46-49.

[5]馬如宇,卓敏.DIS數字化信息系統在中學物理實驗教學中的應用研究[J].中國現代教育裝備,2010(8):36-38.