初中物理DIS數字化實驗教學的實踐與思考

王炯

初中物理是一門以實驗為基礎的科學，需要初步建立物質結構、力與能量等觀點.按照“從生活到物理，從物理到社會”的新課程理念，初中物理應注重培養學生的應用和思考能力，讓學生可以在熟悉、親切和愉悅的環境下學習.初中物理DIS數字化實驗教學則是建立在由傳感器、數據采集器、計算機及相關數據處理軟件和與之配套的相應的實驗儀器、實驗技術、實驗方法基礎上的數字化實驗開展初中物理教學.我校于2012年暑期配備了初中物理標準數字化實驗室，為初中物理數字化實驗教學的系統研究提供了技術平臺保障.筆者結合《初中物理課程標準（2011）》及蘇科版初中物理八、九年級教材，經過一線的實踐進行了初步的研究與思考.

1DIS數字化實驗對初中物理教學的促進作用

1.1利用DIS數字化實驗化解實驗操作難點

傳統實驗培養學生的動手能力，對實驗儀器使用的規范，關注學生處理實驗數據的能力和觀察能力等，但學生在“觀察水的沸騰”、“探究冰熔化和凝固”、“探究不同物質的吸熱升溫現象”等實驗時，需要要求學生把鐵架臺、石棉網、酒精燈、燒杯、溫度計等器材按要求裝配起來，還要在加熱的同時進行攪拌，定時讀出溫度計示數，然后根據數據描點作圖，通過圖像分析得出結論，整個實驗過程太復雜，對初中生而言難度太大，而且偶然因素多，實驗誤差大，得不到正確的圖像，在一節課的有限時間里可操作性不強，往往會沖淡教學重點，達不到應有的教學目標.由于DIS數字化實驗室采用了“傳感器+數據采集器+計算機”的體系結構，使得其具備了“實時實驗”的功能，即可以對實驗的過程進行實時的跟蹤與數據的采集，同時還完成了數據處理.這就將教師與學生從以前那種數據讀取、記錄、運算以及圖線描繪等繁瑣的勞動中解放出來，為學生的自主探究、小組協作與充分的體驗提供了足夠的時間和空間.

案例1DIS探究不同物質的吸熱升溫現象

利用溫度傳感器代替溫度計進行測量，可以達到的效果：（1）實時直觀的圖像展示了水和沙子溫度隨時間變化的情況，通過投影屏幕展示，可視性強;（2）因為這節課的重點并不在于培養學生讀數和描點作圖的能力，使用傳感器后可以大大省去學生讀數的環節和描點作圖的環節，縮短實驗的時間，也能避免由于讀數錯誤或描點錯誤造成的實驗失誤.

實驗器材：溫度傳感器和數據采集器、數字化信息系統軟件、200 g的水和煤油、電爐.

收集數據展示：利用TriE iLab V8.0數字化信息系統軟件可以展示水和沙子的溫度的實時數據，也能同步繪出水和煤油溫度隨時間變化的圖像，如圖1所示.

1.2利用DIS數字化實驗增強實驗可視性

使用DIS數字化實驗室，計算機在采集、計算、分析實驗數據后會按照實驗者要求自動繪制函數圖像，使得實驗結果以圖像方式直觀地呈現出來，可以極大地擴展實驗的可視性和可重復性.例如，利用聲音傳感器可以采集聲音振動圖像，從視覺上可以直觀地比較振動頻率和振幅;利用磁場傳感器可以直接探測磁體周圍磁場的強弱;利用力傳感器可以描繪力隨時間變化的圖像，在比較一對相互作用力大小時，學生看到完全對稱的兩個力的圖形時是多么激動，印象深刻.

案例2DIS探究影響滑動摩擦力的因素（圖2）

用傳統實驗探究影響滑動摩擦力的因素時，學生在水平面上拉動木塊時很難保證木塊作勻速直線運動，而且在彈簧測力計運動過程中讀數也很困難，可視性很差，當研究滑動摩擦力與物體運動速度是否有關時，需要用不同的速度勻速拉動木塊，更給實驗增加了難度，也難以得到正確的實驗結論.而采用教師演示的方式，除了實驗者能看到，其他學生的可視性也很差.而借助DIS數字化實驗可以很好地解決這個問題：（1）用力傳感器代替彈簧測力計，利用配套軟件把力的大小變化實時在計算機中以圖像的形式表現出來（圖3）;（2）利用電動機代替人工拉動物體做勻速直線運動，使得實驗過程更加嚴謹，避免人為造成的錯誤;（3）從圖像中不僅可以分析出影響滑動摩擦力大小的因素，而且還可以反映出靜摩擦力的大小變化，對學生深入理解摩擦力的知識起到了很好的輔助作用.

1.3利用DIS數字化實驗拓展思維，激發探索熱情

數字化實驗室憑借傳感器技術彌補了傳統實驗中的多個空白，解決了物理實驗中精確采集數據的難題，同時系統輔以相對完善的軟件系統，可以進行很多利用傳統實驗裝置想做而又做不到的實驗.例如，利用兩個聲音傳感器可以在實驗室里測出聲速;利用位移傳感器、光電門可以完美地展現出電動機拉動下的小車勻速直線運動的位移-時間圖線和速度-時間圖線;利用壓強傳感器可以研究一定質量的氣體壓強與體積的關系等;利用電流傳感器和電壓傳感器可以展示定制電阻和小燈泡的伏安特性圖線.這些課本上涉及到的，但傳統實驗器材無能為力的實驗，數字化實驗室的先進科技手段為學生打開了一扇窗，使他們看到了更加有趣、更加新奇、更加需要去探索的物理世界，同時也感受到科技進步所帶來的震撼.

案例3DIS測量聲波在空氣中的傳播速度（圖4）

2DIS數字化實驗教學的現狀思考

DIS數字化實驗是教育技術發展的最新成果，從根本上改變了以前幾十年不變的實驗教學模式，為教學改革的創新提供了舞臺，促進常規教學的創新、傳統的實驗改進和科學探究的深入，也是時代發展的需要.但是，初中階段的DIS數字化實驗教學的開展還存在不少困難和局限.

2.1初中學生的認知層次和動手操作能力的局限性

數字化實驗室采用了“傳感器+數據采集器+計算機”的體系結構，在數字化實驗室的軟件系統中提供了曲線擬合功能.計算機在采集、計算、分析實驗數據后會按照實驗者的要求自動繪制函數圖像，使得實驗結果以圖像方式直觀地呈現出來.初中學生是初二剛接觸物理學習，觀察圖像、分析圖像及根據圖像得出結論的認知水平還不具備，只有在 “觀察水的沸騰”等實驗時才對圖像初步接觸，然后隨著學習知識的加深對圖像的認知才逐步深入，所以數字化實驗教學的開展是不能一蹴而就的，必須根據學生的認知水平發展進行展開.

同時，數字化實驗室應配備相應的實驗器材，有些實驗器材的安裝比較復雜，比如探究小車運動、探究滑動摩擦力的大小等，超出了初中生課堂動手能力的要求.

2.2受數字化實驗室的軟件系統的局限性

數字化實驗室都有相配套的軟件系統，開發公司會根據教學需要事先做成一部分常用實驗模版供師生使用.但在實際教學中這些現成的實驗模版往往不能滿足教學需求，這就需要教師自己進行創建，而創建新模版要求教師具有較高的計算機操作能力、公式編輯能力、函數處理能力以及對配套軟件的使用經驗，這也給數字化實驗教學的開展帶來不便.

2.3受數字化實驗室教學開發現狀的局限

目前，基礎教育中的高中階段數字化實驗的開發已經歷多年且成果顯著，但初中的數字化實驗教學才剛剛起步.因此，大部分的教學軟件及實驗器材還是基于高中的教學要求和高中生的學習能力進行配套，大多數不適合初中教學，造成很大的資源浪費，真正能用到初中一線課堂的少之又少.開發公司的技術人員基本沒有初中一線的教學經歷，開發的實驗不足，經常不能滿足初中的教學要求，初中教師也為不能把數字化實驗充分運用到課堂為學生服務感到苦惱.

所以，要能在初中把數字化實驗教學進行到底，就需要我們進行認真的實踐與思索，積極參與初中數字化教學的研究.