高中物理傳統實驗與DIS系統有效整合
——以測電源電動勢和內阻為例

朱劍敏

（福州格致中學，福建福州 350001）

隨著高中物理實驗教學的不斷改革，新課程標準加強課程內容與生活中物理以及現代社會和科技發展的聯系，關注物理學的技術應用所帶來的各種問題，引導學生積極參與、樂于探究、善于實驗，倡導教師通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術增強科學探究能力和解決問題的能力。［1］而DIS是一種新型的實驗手段，它正慢慢走進高中物理課堂，不僅提高了物理教學課堂的實效性，還對學生探究能力的提升和物理核心素養的培養起著重要的作用。

一、DIS技術和傳統實驗的優劣對比

在中學物理的傳統實驗中，由于實驗儀器的精度不高，實驗工具選取不當或者是人為操作失誤等，經常會出現一些偶然誤差，以至于必須反復的操作，影響了實驗的進程，有時也無法得到理想的實驗數據，實驗的成功率較低。

DIS指的是“數字化信息系統”，是由“傳感器+數據采集器+計算機”構成的新型實驗系統。［2］DIS實驗通常指在實驗過程中利用傳感器獲取實驗數據、通過數據采集器采集實驗數據，利用電腦記錄并處理實驗數據，得到實驗結果。［3］該系統代替了學生的手工記錄、采集和處理數據的過程，大量地減少了人為因素導致的誤差，使得學生能在一節課的時間內完成實驗，并且讓學生能結合物理的一些知識自主地去設計實驗，培養了學生的創新意識，調動了學習的積極性。

DIS系統中實驗器材精密，對實驗數據記錄實時高效，應用范圍廣，可靠度高，還可以繪制出各種函數圖像，縮短了學生分析數據的時間，可以直接從圖像中分析物理規律，完成了教育教學目標。比如，在學生探究牛頓第二定律時，數據收集和處理就很復雜，誤差也較大，而通過DIS效率明顯提高，可以節省更多的精力去進行誤差的分析與研究，接著我們通過DIS系統作出的圖像，發現圖線彎曲而偏離正比例直線的現象，從而引導學生去進行誤差分析。接著教師可以立足于學生的認知水平和學習能力來設計問題，并留給學生充足的時間利用DIS去完善、改進實驗，例如以小車和鉤碼的總質量不變，把系統作為研究對象，以作為橫軸，這樣圖像便化曲為直，使其直觀地反映出兩個變量之間的關系。在這種教學方式的指導下，學生的各項技能和能力將會得到最大程度的發展和提高，有效促進高中學生科學素養的提升，真正實現高中物理實驗教學的教育功能。

任何一樣事物都利弊，在其優點背后同樣存在著缺點，DIS實驗系統特別是在電學實驗方面的運用，缺少了培養學生實驗基本技能的過程和機會，弱化了學生動手連接實物電路的能力和對數據的分析計算能力培養，忽視了對學生基礎技能的培養，簡化了實驗過程。而傳統實驗教學中，則可以運用實驗器材讓學生動手操作實驗步驟，強化了學生的動手能力，將實驗現象更加直觀地展示給學生，加深記憶，并且讓學生通過小組探究進行創新，從而拓展了學生思維，分析了實驗中的誤差及不足，并加以改進和完善，提升學生的學科核心素養。

因此，總結DIS系統和傳統實驗的優劣之后，教師要在傳統實驗中引入DIS實驗技術，二者有效地融合在一起，發揮各自的優勢，揚長避短，改進實驗，從而提高實驗的實效性，并將物理實驗教學的價值發揮到極致。

二、巧用DIS實驗分析實驗誤差并加以改進電學實驗——以測電源電動勢和內阻為例

很多物理實驗其實都存在誤差，但誤差并不可怕。高中物理的實驗教學中，許多是定量實驗，教師在實驗教學過程中，除了要讓學生學會通過實驗數據來驗證或推導出物理規律，還要引導學生學會正確分析實驗誤差的來源、如何減小實驗誤驗誤差、如何改進實驗，讓他們能親身體驗，敢于挑戰，激發他們的潛能。

現以電學實驗——測電源電動勢和內阻為例，由于傳統電學實驗精度不夠，實驗結果就比預期相差甚遠，而教師在教學過程中基本是利用理論教學方式來解決問題，這樣便無法激發學生的學習興趣，更談不上創新能力的培養。在測電源電動勢和內阻的實驗中，有以下傳統的實驗器材：電壓表、電流表、滑動變阻器、電源、開關、導線等，然后學生組成兩種電路——電流表外接法（甲）和電流表內接法（乙）（如圖1），接著有兩種分析數據的方法，一是利用平均值法來減少實驗誤差，就得多測幾次算平均值；二是利用測出的數據標識在坐標紙上并作圖，通過畫出的函數圖像得到電源電動勢和內阻，而這兩種分析方法則大大延長了實驗時間，作圖也存在著很大的偶然誤差，再加上該實驗儀器的本身限制，使得該實驗就一定存在系統誤差，所以綜合下來數據就跟預期偏差較大。為了解決這個問題，教師可以引入DIS實驗，由于DIS能實時記錄數據并高效地分析數據，大大縮短了計算時間，而且電流傳感器和電壓傳感器精度較高，用它們來代替電流表和電壓表（如圖2），把電流傳感器、電壓傳感器分別接入數據采集器端口連接計算機以記錄數據和分析數據，接著學生通過分析實驗原理，推導出x軸和y軸所對應的物理量，進行一次函數擬合，得到函數擬合圖像（如圖3），分析一次函數圖像中斜率和截距的意義，繼而得到我們所需要的電源電動勢和內阻的值。

圖1

由于DIS傳感器精度高，兩組實驗方法數據基本接近。但在傳統實驗儀器中，電流表和電壓表并不是理想電表，所以該實驗存在系統誤差，而本節課的目的除了要求學生通過電路設計測出電源電動勢和內阻，最關鍵的一環是要求學生學會利用函數圖像對兩種不同實驗進行誤差分析——圖像修正法（如甲-圖4、乙-圖5），所以學生要回歸到傳統的實驗電路中，借助DIS圖像分析實驗誤差，最終得到兩種實驗不同的誤差，圖甲電流表外接方法，通過圖像修正可以快速、直觀地得到E測=E真，r測＞r真；圖乙電流表內接方法，則得到E測＜E真，r測＜r真。通過利用DIS結合傳統實驗儀器的實驗探究，讓學生經歷與科學工作者相似的探究過程，從而領悟科學探究方法，發展科學探究能力，體驗科學探究的樂趣，養成勇于創新的科學精神。

圖2

圖3

圖4

圖5

把傳統的實驗儀器和DIS實驗技術有效地整合起來，不僅為學生后面的數據分析和誤差分析提供了充足的時間，一節課高效地完成了實驗，而且鍛煉了學生的實驗動手能力和數據分析能力，并為后面學生的實驗創新提供有效的保障，從而提升學生的實踐能力和創新能力。

本節課教師還可以進行實驗拓展，讓學生分組討論，自主創新設計其他測電源電動勢和內阻的實驗電路，比如說若只用到一個電壓表或者一個電流表，能否測出電源電動勢和內阻？如何選擇儀器去設計電路？在這個過程中因為DIS系統所配備的只是一塊簡單的電路板，無法進行實驗創新，所以要借助傳統實驗儀器進行研究，結合DIS系統進行數據的處理和分析。整節課給學生創設了新的物理情境，讓學生各項科學技能和思維能力得到最大程度的發展，有效促進高中學生物理學科素養的提升，真正實現實驗教學的教育教學功能。

傳統物理實驗是學生獲取知識最直接的方法、最真實地感受，由于它是學生親自動手來完成實驗，通過實驗觀察發現規律，印象深刻，激發濃厚的實驗興趣，是培養學生基本的實驗技能重要渠道。而DIS系統的直觀、快速、準確等優點正是彌補了傳統實驗的不足，它也有助于精準、快速地分析實驗數據，從而得出實驗結論。所以在高中物理實驗教學中應當將二者進行優化整合，從而提升高中物理實驗教學的效益。當然，有些實驗適合傳統實驗，有些實驗適合于DIS系統，而有些實驗則適合二者的結合，并且從中選擇最有益的實驗方法，只有這樣才能發揮高中物理實驗的最佳效果。

DIS系統與傳統實驗教學的融合是目前高中物理實驗教學的趨勢，教師引導學生自主探究實驗，通過自身知識進行創新研究，并將物理知識靈活地運用于生活之中，進一步提升學生核心素養。在今后實驗教學中教師要擺正態度，合理地使用和融入DIS系統，充分發揮其最大的價值。