數字化教學系統在科技班教學中的應用

陳清

摘 要 通過展示驗證牛頓第三定律的實驗探究課，介紹DIS實驗室在青島市第十九中學科技班物理教學中的應用。

關鍵詞 物理實驗教學；DIS數字化實驗室；牛頓第三定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）13-0009-02

青島市第十九中學為了凸顯辦學特色，2014年招生新增加一個科技班。為了更好地發展學生的各項技能，圍繞這個科技班，各學科都開展了興趣班以激發學生的自主創新、自主學習能力，物理課主要在實驗手段上做了革新。實驗教學手段的進步是科技進步、教育進步的體現。傳統實驗教學儀器固然有著簡單、直觀的特點，但科學本身從來拒絕一成不變的教條，科學在發展，科學教育在發展，實驗教學儀器也在發展。因此，學校為科技班的學生單獨開放DIS（Digital Information System）實驗室。現將學校科技班的一堂實驗探究課展示給大家，希望對兄弟學校有所幫助。本堂課的內容是驗證牛頓第三定律。

牛頓第三定律是一個比較難的課題，從內容上來看，它所反映的是物體之間本身內在的規律，而了解和掌握規律最好的辦法就是通過實踐來探索。本節課采取引導式探究教學，即通過課堂演示來完成這次實驗活動。要使學生在實驗過程中堅持由易到難的過程，通過感性實驗使學生掌握牛頓第三定律的理性規律。對于不同運動狀態的物體間的相互作用，則通過實驗和數字化教學系統加以突破。物理教學十分貼近學生的日常生活，因此，在學生日常生活過程中，要根據學生的生活環境創設物理教學情境，讓學生自己在實驗過程中探究得出結論和規律，一方面可以提高學生的學習積極性，另一方面也提高了學生利用所學知識解決實際問題的能力。

從教學方法上來看，實現對傳統教學方法的變革，滿足學生的實際學習需要。本節課設計的實驗，簡單易操作，重視物理規律的形成過程，能夠使學生在加深對知識理解的同時又增強教學效果。本節課設計了兩套方案進行，一是使用傳統的測力計、小車、鉤碼；二是用朗威數字化信息系統。

牛頓第三定律實驗原理：對于每一個作用力，必然有一個反作用力，作用力與反作用力總是成對出現，它們同時存在，同時消失，分別作用在兩個相互作用的物體上。

1 傳統方法

實驗器材 每組兩個彈簧測力計、小車、鉤碼。

實驗過程 讓兩個學生各自拿一個測力計，把兩個測力計A和B勾在一起拉，開始處于靜止狀態。

1）A用手拉彈簧秤A之前，兩測力計的讀數均為零，說明兩測力計間沒有作用力；A用手拉測力計A時，可以看到兩個測力計的指針同時移動，測力計B的讀數是測力計A對它的作用力FA的大小，而測力計A的讀數是測力計B對它的反作用力FB的大小，此時學生發現，兩個測力計的讀數是相等的。

2）兩個學生改變手拉測力計的力的大小，測力計的讀數也隨之變化，但這兩個測力計的讀數總相等，這說明作用力和反作用力大小是相等的。

3）分析測力計B受到測力計A的拉力FA，方向向右，測力計A受到測力計B的拉力FB，方向向左，這兩個學生的拉力作用在同一條直線上，這說明作用力與反作用力方向相反，作用在同一條直線上。

4）同樣，讓學生A、學生B分別做勻速運動、加速運動、減速運動，觀察測力計A和測力計B是否總是大小相等、方向相反。

實驗結果

1）相互性：兩個物體間力的作用是相互的。

2）同時性：作用力和反作用力總是相互依存、同時存在的，沒有作用力就沒有反作用力。

3）方向：作用力跟反作用力的方向是相反的，在一條直線上。

4）大小：作用力和反作用力的大小在數值上是相等的。

2 現代方法

實驗器材 數字化實驗系統、計算機等，實驗裝置見圖1。

驗過程與數據分析

1）連接好數據采集器，將兩個力的傳感器按照圖示接入采集器。

2）啟動“組合圖線”功能，點擊“增加”，增加圖線“時間—力1”與“時間—力2”。

①兩手各持一只力傳感器，按照圖1實驗裝置圖讓兩傳感器的測鉤互相勾住，兩手用力拉或壓，得兩條“力—時間”組合顯示圖。觀察發現兩條圖線基本重合，表示兩力大小相等。

②選中其中一條圖線，點擊“設置”，設為“鏡像顯示”，對兩個力的方向加以區別。

③返回實驗界面，繼續實驗，可見兩條圖線以X 軸對稱（圖2），說明兩力方向相反。

③點擊“停止”，將“采樣頻率”設置為“500”。讓兩只力傳感器的測鉤正對，相互敲擊，獲得另外兩條以X 軸呈上下對稱的圖線。

3 實驗結果

結合兩種實驗器材的實驗結果，總結牛頓第三定律：兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。

4 實驗總結

通過上述兩種實驗方法發現，用傳統的方法存在一定的弊端（如實驗誤差較大；瞬間讀取數據不便，需要借助數碼相機拍照才能準確讀取數據），影響實驗結果的因素也很多；而使用數字化實驗系統則完全不同，能夠使實驗更加快速、準確、嚴謹。

數字化信息系統（DIS）實驗室的引入，豐富了學生的實踐體驗。朗威數字化實驗系統將實驗數據數字化，在學生親自動手操作實驗的基礎上實現信息技術與物理實驗教學的整合。朗威數字化實驗系統能夠支持科學探究實驗、團隊合作實驗的設計和實施，能以其豐富的傳感器，準確、快速的測量，以及多功能的軟件支撐，為廣大中學生提供一個科學探索的技術平臺。尤為重要的是，這個數字化信息系統符合中學生的心理需求，能激發學生學習的興趣，是促進學生主動學習的有效工具。