關于DIS實驗流程模式的理論探究

渠雷雷

（蚌埠第二中學 安徽 蚌埠 233000）

趙永樂

（蚌埠第九中學 安徽 蚌埠 233000）

眾所周知，實驗教學是中學物理教學的一項重要內容和教學手段.實驗教學的有效開展，關系到理論聯系實踐、提高學生科學素養、培養學生濃厚科研興趣等教學目標的達成.然而面臨當前社會信息爆炸式的迅猛發展，傳統實驗對廣大師生的吸引力已大不如前，因此當整合了實驗技術與信息技術的DIS實驗一經出現，便立刻成為物理同仁一致關注的熱點，并迅速取得了豐富的實踐成果.

1 不可忽視的現象

1.1 實驗理論發展的嚴重滯后

數字化實驗系統是一種全新的軟硬件一體化的實驗系統，它具有多類型的傳感器、多通道的數據采集器、多樣化的自主操控平臺以及強大的函數圖像處理系統，實現了實驗手段數字化、測量呈現實時化、現象規律可視化、操作測量簡單化，在真實實驗的基礎上實現了信息技術與物理實驗教學的整合，在延續傳統的同時超越傳統［1］.

但是，我們要清楚地認識到，DIS實驗系統與物理實驗的有機結合需要教育思想的首先變革，即從教育觀念、教育思想與教育模式等方面，強化和尊重師生雙方的主動探究、創造性反思以及團隊合作等全新的品質.

筆者認為，DIS實驗系統其優越性的充分發揮，應契合于物理實驗教學理念.這種契合，不是一方被動地適應另一方，而應該是雙方主動地靠近和融合——正如馮容士院士所說，“工具的變遷，課改的理念”.新課改的理念催生了數字化實驗系統，后者也反過來呼喚著實驗理念的更新.但是實驗教學理念的更新，卻不能僅僅著眼于實踐的層面，更應該加大對實驗理論的關注.

而目前的相關研究，多是應用方面的具體實例，孤立的點狀個案比較多，缺少理論上的歸納和整理.從一方面來講，案例過于集中，觀點大致雷同，課題重復造成浪費.更重要的是文章過于偏向實踐，嚴重依賴于教師教學經驗的積累.往往經驗豐富、教學理念自成風格的老教師，在文章中信手拈來的案例，新教師由于經驗的缺乏，只能生搬硬套.這說明廣大物理同仁對實驗理論的重視程度不高，缺少理論方面的融煉和交流，不能在宏觀層面上形成明確的指導性，可移植性很差.

筆者認為，借由數字化實驗的角度對物理實驗基本理論進行深入研究，從理論角度，找到目前實驗教學中存在的根本問題，從而優化實驗，這是一個重要的研究方向.

1.2 一個表象的小問題

在提到數字化實驗的時候，教師往往首先想到的是其如何突破傳統實驗手段的限制，比如，大幅度改進原來做不出、做不好的實驗，變“不可見”為“可見”，由“抓不住”到“抓得住”，將“不好做的”轉變為“好做的”［2］.所以大部分教師對數字化實驗贊不絕口，對其發展的前景也充滿著希望.

但如果換由學生的角度來看，考慮到中學生所處的年齡階段，結論就不容樂觀了.筆者在學生中做的一些小調查發現，很多學生在數字化實驗課上“容易走神”，階段性的“不知道在做什么”，內心里“不喜歡”甚至“排斥”數字化實驗.調查結論顯示：如果可以選擇，學生更傾向于做傳統實驗.

那么，是什么原因造成教師和學生對待同一事物的觀念差異呢？數字化實驗和傳統實驗在本質上有什么區別？

2 問題分析

2.1 無法回避的主觀感受

出現教師和學生對待數字化實驗的觀念差異，首先是看問題的角度和評價標準不同.教師從設計者的角度，更多的是關注實驗結果的精確性，過程的嚴謹性，因此數字化實驗當然更具優勢.而學生對實驗的評判依據則是自身好奇心和動手欲望是否得到滿足，恰恰在這方面數字化實驗有所欠缺.

實驗課上學生只能機械地按照既定程序點擊鼠標，總感覺缺少點兒實驗探究的激情和樂趣，無法全身心投入實驗過程 ——“不像是在做實驗，更像是在學電腦”.因此從主觀感受上找原因，DIS實驗雖然精確性占優，但在直觀性上比較欠缺，親和力遜于傳統實驗.

2.2 兩面性的客觀特點

筆者在調查中也發現，DIS實驗在理科基礎好的學生中受到的排斥，要小于理科基礎差的學生.或者說理科基礎好的學生比理科基礎差的學生更容易接受DIS實驗.究其原因，既然DIS系統能夠破傳統實驗手段的限制，改進傳統實驗做不出、做不好的實驗，因此相應的在數據的底層處理上，本身就要比傳統實驗繁瑣.這樣正反兩方面的客觀特點，就決定了理科基礎差的學生只能游離于實驗的感性表層，無法深入地參與實驗原理、實驗設計和數據處理等重要環節.這實質上就凸顯了學科培養目標與業已存在的學生分化之間的矛盾關系.

3 理論探究

3.1 二維分析圖

基于上面的分析，如果把處理難度和參與度分別作為兩個評判指標，對一堂實驗課做一個二維分析，就可以大致衡量出該節實驗課的效果如何.

圖1 傳統實驗與DIS實驗的二維分析圖

如圖1所示，在以數據處理難度和參與度為兩坐標軸的平面象限中，受學生喜愛的傳統實驗因其處理難度低而參與度高，處于右下角的第四象限；被學生排斥的DIS實驗因其較高的處理難度和較低的參與度，處于左上角的第二象限.而值得注意的是，如果一次實驗教學，本身處理難度并不高，卻沒有有效地引發學生的積極參與，就淪為了左下角第三象限中的失敗實驗；與其完全相反的則是理論上的最優實驗.

3.2 完整實驗體系理論構想

從上面的分析可以看出，實驗者的水平高低，實驗者參與度的高低，也是對實驗教學進行評價的一個重要方面.因此，為了進一步研究實驗理論，筆者認為應當把實驗者這一主觀因素，與客觀的實驗器材一起組成完整的實驗體系，并且淡化外在表象，僅從內在功能上進行切割劃分.

為此，筆者提出了一個包括實驗者和實驗對象在內的，更廣義的完整實驗體系的理論構想.這一構想中，實驗者和實驗對象并不是脫離于實驗儀器之外的無關事物，而是和后者一樣，分屬實驗體系的一個環節或一個模塊［2］.如果僅僅從功能上來看，可以將這三者劃分為5個功能層，分別為：

（1）決策層.提出實驗目的，設計實驗方案，組織整個實驗流程，并對數據做出深度分析.

（2）界面層.以一定的形式呈現數據，比如儀表盤、指示燈、軟件界面等呈現的形式.

（3）處理層.能對數據進行各種簡單處理 ——記錄、轉化和組織（包括圖像、表格）.

（4）測量層.從實驗對象采集所需的各物理量.

（5）對象層.實驗的直接作用對象，問題的研究對象等.

這5個功能層自上而下構成一個5層的金字塔結構如圖2所示.

圖2 完整實驗體系的5層金字塔結構

3.3 實驗流程模式

需要提出的是，以上5層結構的相互位置，并不是絕對的.數據信息的流轉順序不同，順序也會發生一定的改變，這就涉及到實驗的流程模式.下面以伏安法測電阻這一實驗為例，闡述傳統實驗和DIS實驗在流程模式上的這種區別.

3.3.1 傳統實驗流程特點

圖3 傳統實驗伏安法測電阻的實驗流程模式

該傳統實驗的實驗電路圖和流程模式如圖3所示，分析如下.

對象層.實驗對象為小燈泡，燈座結構簡單，對象展示直觀、明晰.

測量層、界面層.電流表、電壓表分別采集得到流過小燈泡的電流值和其兩端的電壓值，同時表盤也兼具界面的作用，把數據的實時值和變化趨勢呈現給實驗者.

處理層.實驗者讀數、記錄數據，同時填寫在事先準備的數據表格內，執行實驗方案中的重復步驟，改變滑動變阻器位置，重復上面的過程.得到數據后進行計算或者作圖，提供進一步決策的依據.

決策層.實驗者事先制定計劃，確定實驗方案、選定實驗對象和實驗工具，并根據電路圖連接、安裝電路，以及故障排除，衡量實驗誤差，檢測是否達到實驗目的.

特點總結：測量層和界面層合一，實驗對象的各項數據，被測量層采集后，直接呈現在各自的界面，成分散狀態；實驗者行使決策層和處理層兩種功能；實驗進行的快慢取決于實驗者實驗技能的熟練程度，節奏由實驗者主導，其參與實驗流程的程度較高.

3.3.2 DIS實驗特點

圖4 DIS實驗伏安法測電阻的實驗流程模式

該DIS實驗的實驗電路圖和流程模式如圖3所示，分析如下.

對象層.實驗對象為廠商特制小型電路板上的小燈泡，其集成化、特型化的特點，對實驗者形成一定的認知障礙.

測量層.電流傳感器、電壓傳感器分別采集得到流過小燈泡的電流值和其兩端的電壓值.

處理層.傳感器信號經過數據采集器的轉換，傳入計算機，并自動進行重復實驗，由軟件系統進行記錄和匯總.實驗者按照既定順序，點擊軟件界面特點按鈕，輔助完成數據處理.

界面層.軟件系統依照通用的或者實驗專用的界面呈現給決策層，大量數據信息經過集成后顯示在同一界面，對實驗者的信息閱讀能力和分析能力要求較高.

決策層.雖然可以自行設計實驗方案，但大多數實驗受到實驗器材設計思想的限制，只能采取既定方案；通常一個DIS實驗有其特定的或者成套的器材，因此在器材選擇上也不夠自由.

特點總結：測量工具沒有獨立界面，數據采集的第一步無法形成直觀感受，造成一定的距離感；從測量層、處理層到界面層，重復實驗過程和數據處理過程不夠明晰，全部由計算機完成，在認知上形成DIS黑箱，一旦出現故障，不易定位故障點；實驗者行使決策的作用被削弱，在整個實驗體系中處于邊緣地位，參與實驗流程的程度不高，器材反過來主導了整個實驗過程，實驗進行的快慢取決于器材和軟件最初的設計.

3.3.3 兩種實驗流程模式的差異對比

從完整實驗體系的金字塔結構圖，也可以對DIS實驗系統和傳統實驗系統，進行一個直觀的對比.

圖5 兩種實驗流程模式的直觀對比

從圖5的對比可以看出，DIS實驗相比傳統實驗，有以下兩點重要變化：

（1）處理層下移，界面層上移，說明由測量層采集來的原始數據，經過匯總、初步處理或轉化后，方呈現給界面層.

（2）傳統實驗體系中的實驗者占據了5層中的上兩層，器材方面占據了中間兩層；與之相對比的是，DIS實驗系統囊括了體系的中間3層，實驗者只保留了頂層.說明傳統實驗中器材和實驗者在實驗體系中占據的分量比較均衡；而DIS實驗系統一定程度上架空了實驗者的決策地位，會使得實驗者因參與程度降低、對實驗過程無法掌控而產生疏離感.

因此，至少就目前來看，傳統實驗仍有著DIS實驗所無法取代的優勢，即在親和度、自由度和參與度上遠超DIS實驗.過分強調DIS實驗的高效性、精確性，實質上是忽略了實驗者的主觀感受，忽略了中學實驗教學對象的年齡特點，忽略了中學實驗過程的教學性質.或許在科研領域，數字化實驗將更加如魚得水.但在中學實驗教學示范中，為了優化實驗教學效果，應當通過客觀的、針對教學需求的分析，適當放慢實驗節奏.這樣才能更好地培養學生的創新意識和科學思維模式，更好地提高學生的動手能力和設計能力.

4 結語

筆者以為，實驗教學案例的研討，不應是空洞、隨意或者盲目的靠數量取勝.物理實驗教學的優化發展，也不應該窠臼于普通課型的常見分析方法.應該大力發展實驗理論的研究，建立起一整套適合實驗教學的評價依據和分析方法.這樣，既方便實驗案例的深入研討，也有利于新教師的學習和成長.更重要的是，借由實驗理論的深入研究，可以從使用者的角度，給數字化產品企業提供一個發展方向的有益建議，使其開發出更多更符合中學生年齡特點、更適合課堂教學演示、更受大多數學生歡迎和喜愛的數字化產品，也從更廣泛的角度促成科學理論與應用技術之間的良性互動！

1 李進.基于數字化實驗系統的物理實驗拓展.教學儀器與實驗，2009（7）

2 梁杰.朗威數字化信息系統走入中學實驗室.中國教育報，2006－01－20（5）

3 董光順.從DIS與傳統實驗的特點談中學物理實驗類型的選擇.物理通報，2013（10）