基于校本課程下的DIS創新型中學物理實驗案例開發

陳煒烜

摘 ? 要：本文探討利用高一校本課程的四個學段的時間，師生共同開發DIS創新型中學物理實驗案例方面的實踐和體會。

關鍵詞：數字化信息系統;校本選修課程;中學物理;DIS創新型實驗;實驗能力

數字化信息系統DIS是Digital Information System的縮寫，是以真實實驗為基礎，由傳感器、數據采集器和計算機上運行的實驗軟件構成的信息實驗系統。系統彌補了傳統中學物理實驗中的諸多不足之處，將信息技術和傳感器相結合應用到中學物理實驗中，提升了實驗教學效率，培養了學生的實驗動手能力、團隊分工協作能力、觀察能力，分析和解決問題能力，創新精神和科學素養等。隨著科技的不斷發展，物理實驗越來越多地利用新技術和設備，如DIS實驗在物理教學中以其獨特的功能越來越受到重視。使用和開發DIS物理實驗案例的研究，是非常必要的。本文介紹在課題研究的過程中利用高一校本選修課程的四個學段的時間，師生共同開發中學物理DIS創新型實驗案例方面的收獲和體會。

第一學段：讓學生熟悉使用DIS器材與其他實驗器材相結合的操作。典型案例如下：探究彈簧的伸長長度與彈力的關系，將力傳感器代替重物進行數據采集，傳感器的測鉤向上連接彈簧，手持力傳感器，對軟件調零，打開“計算表格”在計算表格中，增加變量F，選自定義來自力傳感器;增加變量x，自定義手動輸入;增加變量k，選公式a/b，a為F，b為x;用力拉傳感器使彈簧伸長，點擊軟件開始測量，自動記錄F值，并手動輸入x，軟件自動算出k值。改變x多測量幾組數據，點擊繪圖，選定橫軸和縱軸變量，得到一組數據點，對數據進行數據處理，一次擬合，發現擬合線與數據點基本重合，且通過原點，可推斷彈力的大小與彈簧伸長的距離成正比關系，用屏幕截圖（圖1）保存圖像。該實驗還可以進一步延伸，把彈簧換成橡皮筋，探究出彈力的大小與橡皮筋伸長的距離成正比關系。

這一學段效果較好，學生能較熟練利用傳感器進行常規實驗的測量，并積極與老師交流DIS使用過程中遇到的困難，主要困難有：傳統實驗轉變為DIS實驗的過程中，對于每個物理量應如何更好地進行設置和測量;DIS實驗時間控制，時間軸縮放的合適比例等等問題，師生都進行了詳細的交流和探討。

第二學段：整理教學實踐中能通過DIS實驗探索較好的操作方案，并在實踐中利用DIS實驗改進、增加一些傳統實驗手段做不出、做不好的實驗，提高實驗效果和效率。本學段以研究高一“自由落體”為例，自由落體運動是一種速度極快的下落運動，很多教師在授課時采用教參提供的方法：（1）頻閃照相法，（2）采用重錘加打點計時器的方法。前者只能通過觀看視頻授課，后者測量結果偏差較大，實驗效果也不佳。所以，本課題組在基于DIS實驗的基礎上，兩節課分別由永安一中的沈老師和我校的陳老師進行同課異構教學，并作為福建教育學院萬名骨干教師培訓的示范課。

1.沈老師利用朗威DIS中的實驗方法，用位移傳感器測位移和時間來研究自由落體運動。具體來說用位移傳感發射模塊作為自由落體運動的研究對象，位移傳感器接收器固定在鐵架臺上，當傳感器發射模塊做自由落體運動時，朗威數字實驗系統軟件描繪記錄下如圖2的自由落體的“s—t2”圖線。截取一部分圖線，借助軟件功能分析出物體下落的加速度大小。

存在問題：位移的測量應從速度為零開始，實際測量存在較大誤差;位移與時間是二次函數關系，給學生分析問題以及圖線擬合帶來較大困難;位移傳感器下落過程不夠平穩，容易翻轉，造成測量上有一定誤差;位移傳感器落地速度較大，容易損壞。

2.陳老師采用自制教具如圖3，原理如圖4所示，在計算機軟件中設定好光柵的寬度d，光柵對光電門的遮光時間Δt可以通過數據采集器同步進入計算機軟件，利用速度公式v=d/Δt，便可計算得到該光柵的速度。每個光柵的速度都可以進行實時同樣計算獲得，在計算機軟件中也能同步描繪出如圖5的v-t圖像。

本實驗通過測量和擬合v-t圖象，解決了數據處理問題，并能精確的測量出重力加速度，實驗效果明顯、數據精確的同時也大大提高課堂效率，有效激發學生的自主創新意識。陳新光老師這節課的實驗方法已申請國家發明專利（申請號：20151028023l.7）。

第三學段：在教學內容基礎上設計一些探究型創新實驗，進行了趣味實驗探究，典型案例如下.

（1）胸口碎大石

這個表演最讓人捏一把汗的是一錘子下去，對人的沖擊力很大。設計DIS演示實驗如圖6，控制沖擊效果一樣，接觸面一樣的情況下一塊磚與二塊磚的，對力傳感器的沖力，由此基礎上，部分學生還設計了緩慢敲擊和快速敲擊的區別等步驟，進一步揭示了胸口碎大石的秘密。

（2）模擬蹦極實驗

蹦極是在人身上栓一根彈性繩，然后從幾十米的高空向下跳的極限運動。為了研究這個問題，專門準備了一個小實驗，用玩偶來模擬人的蹦極過程如圖7。用傳感器來測量視重，傳感器類似于彈簧測力計，可以測量物體對它的拉力，然后截圖如圖8，分析蹦極的過程。

另外，還做了利用聲音傳感器測量西瓜的成熟度，有的同學查資料發現有測量水果成熟度的傳感器并對此著手進行研究，這些趣味性案例的開發過程讓學生擁有更多的動手操作機會，激發學習興趣，發揮了學生的主觀能動性，拓展了學生探究問題的范圍和深度，讓物理實驗真正與實際生活接軌，促進學生的實驗能力全方位地發展。

第四學段：整理和完善所開發的DIS探究性實驗案例，并分析DIS案例開發對學生物理實驗能力的影響。利用高一選修過DIS實驗課的學生和未參加過的學生進行實驗技能測試，研究DIS使用對學生實驗能力的哪些方面有較大影響。

測試過程設置如下：分別讓他們探究利用力傳感器探究力的平行四邊形定則，使用兩只力傳感器設計好驗證方案，選擇粗細合適的細線、連接好橡皮筋和繩套，正確使用力傳感器（安裝，調零、讀數、記錄）。

通過老師的觀察及和與學生的交流，再根據收集學生所做的實驗的質量等手段，發現學生運用DIS進行實驗案例開發后，在動手實驗操作能力、實驗進行觀察和分析能力，尊重實驗結果和注重實驗事實等方面有明顯提高。究其原因，由于記錄和處理數據方面由計算機進行，學生動手實驗操作的時間充裕，動手實驗操作能力的明顯提高;由于DIS實驗記錄的數據可以做到等時性（即每相同時間記錄一次）和超短時間間隔，有利于研究各種運動和連續性物理現象，培養了學生深入細致的實驗觀察和分析能力;計算機直接讀取數據客觀準確可靠，沒有了傳統數據的認為修改問題，培養學生尊重實驗事實的精神。選修過DIS實驗課的學生物理能力總體有著明顯的優勢，但是也有存在問題，比如，對于計算機的依賴過大;計算機快速的數據處理方式，在一定程度上削弱了學生的實驗記錄和處理數據的基本功等等。因此，我們認為在高中的物理實驗教學過程當中應該做到揚長避短，在恰當的選用DIS實驗同時也不能忽視傳統的實驗手段。

綜上所述，本課題組利用校本課程為平臺，開發了大量DIS創新型中學物理實驗，同時進一步分析論證DIS案例的開發過程對學生各種實驗能力的影響，從而將所研究的成果指導性地用于提升高中生物理實驗各方面的能力。