高中物理DIS實驗教學(xué)在高一力學(xué)教學(xué)中的實踐模式探索

摘 要：高中物理作為高中階段的重要學(xué)科，力學(xué)知識是學(xué)生物理學(xué)習(xí)的難點，也是教師教學(xué)的難點。DIS實驗作為一種先進的實驗手段，能有效突破力學(xué)教學(xué)中的難點問題。在新課程改革的背景下，DIS實驗方法在高中物理力學(xué)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，有助于提升學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力和綜合素養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上，文章探索了高中物理DIS實驗教學(xué)在高一力學(xué)教學(xué)中的實踐，旨在深化學(xué)生對力學(xué)知識的理解，提升學(xué)生的物理探究能力和物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；DIS實驗；力學(xué)

隨著新課標(biāo)和新高考改革的深入推進，高中物理實驗教學(xué)面臨著更高的要求。然而，當(dāng)前高中物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀卻呈現(xiàn)出一些不盡如人意的情況，一方面，實驗教學(xué)往往過于程序化，學(xué)生缺少對實驗原理的深入理解和探究，導(dǎo)致在實驗數(shù)據(jù)處理時困難重重；另一方面，實驗教學(xué)效率低下，課堂上往往只有少數(shù)學(xué)生能夠親自動手進行實驗，而大多數(shù)學(xué)生則成為實驗的旁觀者。這樣的實驗教學(xué)現(xiàn)狀不僅難以滿足新課標(biāo)對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的要求，更難以適應(yīng)新高考對學(xué)生實驗?zāi)芰蛯嵺`能力的考查。因此，探索和實施DIS實驗教學(xué)成為解決這些問題的有效途徑。

一、DIS實驗和DIS實驗教學(xué)

DIS實驗系統(tǒng)，全稱“Digital Information System”。該系統(tǒng)依托20世紀末至本世紀初的前沿科技，將現(xiàn)代電子設(shè)備與實驗教學(xué)相結(jié)合，為教育領(lǐng)域帶來了革命性的變革。DIS實驗系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和圖形計算機組成，傳感器能實時采集多樣化實驗數(shù)據(jù)，如電流、電壓、位移等，并轉(zhuǎn)化為電信號；數(shù)據(jù)采集器連接傳感器和計算機，負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析，最多可同時接插四種傳感器；圖形計算機通過專業(yè)軟件，實時顯示數(shù)據(jù)、繪制曲線圖、分析數(shù)據(jù)，極大便利了實驗教學(xué)[1]。這些設(shè)備共同構(gòu)成了一個高效、精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)。

DIS實驗教學(xué)借助這些現(xiàn)代化設(shè)備，實現(xiàn)了實驗信息的快速、準(zhǔn)確、動態(tài)采集和實時數(shù)字化顯示，使得實驗教學(xué)更加直觀、生動和高效。這種教學(xué)模式不僅提高了學(xué)生的實驗技能，還培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)人才提供了有力支持。

二、DIS實驗教學(xué)的優(yōu)勢

（一）創(chuàng)造全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，深化學(xué)習(xí)體驗

DIS實驗教學(xué)能夠創(chuàng)造全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，對于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗具有顯著影響。傳統(tǒng)實驗教學(xué)往往受限于實驗器材、場地等因素，使得實驗過程顯得較為單調(diào)和局限。而DIS實驗教學(xué)通過引入數(shù)字化、信息化的手段，打破了這些限制，為學(xué)生提供了更加廣闊、靈活的學(xué)習(xí)空間。在DIS實驗教學(xué)中，學(xué)生能夠通過計算機、傳感器等現(xiàn)代化設(shè)備，親身體驗物理現(xiàn)象的變化過程[2]。數(shù)字化實驗系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集、處理和分析實驗數(shù)據(jù)，使得實驗結(jié)果更加直觀、生動。學(xué)生通過觀察實驗數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，深入理解物理概念和規(guī)律，增強學(xué)習(xí)的趣味性和互動性。此外，DIS實驗教學(xué)還能夠為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)支持，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和興趣點，推薦適合的實驗內(nèi)容和難度，使得每名學(xué)生都能夠得到適合自己的學(xué)習(xí)體驗。

（二）引入探究工具，提升探究能力

DIS實驗教學(xué)提供的數(shù)字化實驗設(shè)備，特別是實時動態(tài)顯示物理量的功能，為學(xué)生培養(yǎng)探究能力提供了強有力的支持。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生往往需要手動記錄實驗數(shù)據(jù)，再進行后期處理，這種方式不僅耗時，而且容易出錯。而在DIS實驗教學(xué)中，傳感器能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)并通過軟件界面動態(tài)顯示，讓學(xué)生能夠直觀地觀察到物理量的變化過程，極大地提高了實驗的實時性和準(zhǔn)確性。這種實時動態(tài)顯示的功能，使得學(xué)生能夠在實驗過程中快速獲取反饋，及時調(diào)整實驗方案，更深入地理解物理現(xiàn)象和規(guī)律。學(xué)生不再是被動地接受知識，而是能夠主動參與到實驗過程中，通過實際操作和觀察，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，培養(yǎng)獨立思考和探究問題的能力。

（三）優(yōu)化實驗教學(xué)，高效利用資源

DIS實驗教學(xué)通過數(shù)字化、信息化的手段，極大地提升了物理實驗教學(xué)的效率[3]。數(shù)字化實驗設(shè)備具有高精度、高穩(wěn)定性等特點，能夠確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)字化實驗軟件能夠快速處理和分析實驗數(shù)據(jù)，并生成實驗報告和圖表等成果，減少了教師的工作量和學(xué)生的學(xué)習(xí)時間。數(shù)字化實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)遠程教學(xué)和資源共享，使得實驗教學(xué)更加靈活和便捷。此外，DIS實驗教學(xué)還能夠優(yōu)化資源配置。通過數(shù)字化實驗平臺，學(xué)校能夠合理配置實驗資源，避免資源的浪費和重復(fù)建設(shè)。同時，數(shù)字化實驗平臺還能實現(xiàn)實驗資源的共享和遠程訪問，使得更多的學(xué)生能夠享受到優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)資源。

三、DIS實驗教學(xué)在高一力學(xué)教學(xué)中的實踐模式

（一）“概念—原理”模式——深化理解，探索本質(zhì)

“概念—原理”是一種通過實驗引導(dǎo)來深化學(xué)生物理概念認知的DIS實驗教學(xué)模式，它借助實際操作幫助學(xué)生掌握物理概念的核心意義及實驗背后的理論基礎(chǔ)，確保學(xué)生能精準(zhǔn)把握實驗的關(guān)鍵

點[4]。該教學(xué)流程包括四個步驟：概念解析、深化提問、動手實驗、原理感悟。

以魯科版高中物理必修1“瞬時速度測量”相關(guān)內(nèi)容教學(xué)為例，這一概念涉及物體在特定時刻或位置的速度測量。教學(xué)可始于對平均速度的探討，提出啟發(fā)性問題，如縮小表示平均速度的位移與時間意味著什么？當(dāng)這些變量趨近于零時，又暗示了什么？這樣的問題旨在激發(fā)學(xué)生通過實驗去探究公路車輛瞬時速度測量技術(shù)的奧秘。具體實驗實踐流程為：首先，在實驗軌道一端安裝光電門傳感器并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；接著，使用配套軟件選擇“瞬時速度測量”項目；配置小車攜帶擋光片，啟動數(shù)據(jù)記錄功能，令小車自同一起點靜止釋放下滑，通過光電門的瞬間即可獲得其瞬時速度。擋光片寬度（Δd）預(yù)設(shè)四檔標(biāo)準(zhǔn)值，分別是0.080米、0.060米、0.040米、0.020米，也可按實驗需求調(diào)整。此過程不僅展示了光電門的運用，還暗含了分體或一體式位移傳感器測量瞬時速度的通用原則——即在極短時間內(nèi)位移與時間比值的測定。

學(xué)生通過此類實驗活動，需在解決問題的實踐中逐步理解實驗原理，這不僅要求理解物理知識的本質(zhì)，更促使其發(fā)展觀察現(xiàn)象、邏輯推導(dǎo)及洞察本質(zhì)的綜合能力。實驗探究不僅加深了學(xué)生對瞬時速度等概念的理解，還促進了想象力、邏輯推理技巧以及從表面現(xiàn)象探尋深層規(guī)律能力的全面提升。

（二）“設(shè)計—探究”模式——自主設(shè)計，探究新知

“設(shè)計—探究”模式是一種旨在促進學(xué)生主動思考與實踐的DIS實驗教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)生依據(jù)特定問題進行預(yù)測、獨立規(guī)劃實驗方案，并設(shè)定評價標(biāo)準(zhǔn)。此模式的優(yōu)勢在于，它鼓勵學(xué)生在自我驅(qū)動下監(jiān)督實驗進展，適時調(diào)整策略。其執(zhí)行步驟依次為：問題確立、假設(shè)構(gòu)建、實驗方案設(shè)計、動手實驗以及數(shù)據(jù)分析與評價。

以魯科版高中物理必修1“在合力恒定時，加速度與質(zhì)量關(guān)系”相關(guān)知識教學(xué)為例。核心問題是：當(dāng)作用力維持不變時，質(zhì)量的增減如何影響物體的加速度變化？初步理論分析提示，質(zhì)量增加導(dǎo)致物體更難以加速，暗示加速度與質(zhì)量可能呈反向相關(guān)。基于此，學(xué)生形成假設(shè)：在恒定外力作用下，加速度與質(zhì)量成反比。接下來，實驗設(shè)計環(huán)節(jié)采用“朗威”數(shù)字化實驗平臺，精準(zhǔn)測量力的大小、小車質(zhì)量，并利用速度－時間（v-t）圖來確定加速度a。實驗設(shè)計包括五組不同質(zhì)量的小車測試，每組實驗記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，以構(gòu)建a與M之間的關(guān)系圖。具體操作如下：首先，將分體式位移傳感器的發(fā)送端安裝至小車上，接收端穩(wěn)固于軌道末端，通過調(diào)整軌道上的滑輪確保細繩與軌道平行，加載細沙以提供恒定拉力，啟動記錄功能后釋放小車使之沿軌道運動。隨后，利用計算機對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，繪制v-t圖以提取加速度值，并在改變小車質(zhì)量后重復(fù)上述過程，最終通過計算機生成a與M的圖形關(guān)系。在數(shù)據(jù)分析階段，初始的a-M圖呈現(xiàn)非線性特征，提示兩者間關(guān)系可能涉及復(fù)雜函數(shù)類型。鑒于先前的反比假設(shè)，學(xué)生嘗試通過構(gòu)建a與M的倒數(shù)（1/M）的圖像，成功揭示了兩者間的直接正比關(guān)系，證實了加速度與質(zhì)量的倒數(shù)成正比的物理定律。

通過“設(shè)計—探究”模式，每位學(xué)生在動手實驗的過程中不僅驗證了科學(xué)原理，而且學(xué)會了如何從問題出發(fā)，通過合理假設(shè)、嚴謹實驗設(shè)計直至數(shù)據(jù)分析，這一系列科學(xué)探究的核心技能。這樣的學(xué)習(xí)過程不僅提高了學(xué)生解決實際問題的能力，也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和綜合素養(yǎng)。

（三）“方法—突破”模式——創(chuàng)新方法，突破難點

“方法—突破”模式在DIS實驗教學(xué)中，強調(diào)通過科學(xué)合理地選擇實驗方法，來突破學(xué)生在實驗過程中可能遇到的思維定式和重難點[5]。該模式鼓勵學(xué)生從實驗?zāi)康某霭l(fā)，引申出具有挑戰(zhàn)性的問題，并自主選擇和運用有效的實驗方法。通過實驗操作，學(xué)生不僅能夠解決問題，還能在實驗過程中感知物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的主動性和創(chuàng)造性。

例如，在魯科版高中物理必修1“加速度測定”相關(guān)知識點的教學(xué)中，教師可先設(shè)置一系列引導(dǎo)性問題：“如何準(zhǔn)確測量加速度？所需的實驗設(shè)備有哪些？采取何種策略來完成測量？”促使學(xué)生基于對加速度概念的認知及勻加速直線運動規(guī)律的理解，提出多樣的實驗方案——直接計算某段位移內(nèi)的初末速度差與時間的關(guān)系，或者通過繪制速度—時間（v-t）圖來間接求得加速度。在第一種方法中，實驗步驟涉及配置實驗裝置，確保光電門傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效對接，并精確測量兩光電門間距L。隨后，使小車在軌道上受恒定拉力作用做勻加速直線運動，記錄下小車通過兩個光電門時的速度v1與v2，再依據(jù)勻加速運動的基本公式計算得出加速度值。第二種方法則轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，即安裝分體式位移傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連，同樣條件下讓小車勻加速行駛，但這次是通過電腦軟件對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，生成v-t圖，從圖中直接讀取或通過曲線擬合計算加速度。

兩種實驗途徑證明，依據(jù)實驗條件和理論基礎(chǔ)的不同，選擇不同的策略來測定加速度，教師在其中扮演引導(dǎo)者角色，鼓勵學(xué)生自主探索，這一做法極大地提升了學(xué)生的思維靈活性和問題解決的能力，同時激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新意識。通過這種“方法—突破”模式，學(xué)生不僅學(xué)會了在實驗中靈活運用知識，更重要的是，學(xué)會了在面對復(fù)雜問題時，勇于挑戰(zhàn)既有觀念，創(chuàng)新思維，尋找最適合的解決方案。

（四）“生活—建模”模式——聯(lián)系生活，構(gòu)建模型

“生活—建模”模式是一種將日常生活現(xiàn)象提煉轉(zhuǎn)化為物理模型的DIS實驗教學(xué)。該模式通過將學(xué)生的日常生活體驗與物理實驗相結(jié)合，借助多樣化實踐活動搭建模型，有效促進了從生活實例到物理理論模型的自然過渡，極大地增強了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。整個操作流程包括生活現(xiàn)象與物理知識的鏈接、動手實驗、模型構(gòu)建及實驗性感知。

以魯科版高中物理必修2“過山車模型實驗”相關(guān)知識點的教學(xué)為例，教學(xué)活動巧妙融入學(xué)生乘坐過山車的生活體驗，將二維運動傳感器在軌道上的行為比喻為過山車的運行。實驗具體步驟包括：先將二維運動傳感器的接收端固定于鐵架臺上，與軌道垂直對齊，并與計算機相連。隨后，開啟傳感器發(fā)射端并置于軌道最低點，通過“零點設(shè)置”校準(zhǔn)坐標(biāo)起點，開始記錄數(shù)據(jù)。實驗通過在不同位置靜置釋放發(fā)射端，使之沿軌道完成圓周運動，系統(tǒng)自動追蹤并記錄其軌跡。實驗中，通過調(diào)節(jié)發(fā)射端的起始高度，探討完成完整圓周運動的條件限制。學(xué)生在教師指導(dǎo)下，對比分析不同釋放高度下所得數(shù)據(jù)點分布圖，構(gòu)建過山車模型，領(lǐng)悟完成過山車最高點圓周運動所需的最小速度原理。

通過在真實生活場景中嵌入物理問題，不僅使DIS實驗教學(xué)變得更加生動有趣，也促使學(xué)生在解決實際問題的過程中深刻把握物理概念，有效提升將抽象理論模型化的能力。這種教學(xué)模式不僅加強了理論與實踐的結(jié)合，還促進了學(xué)生對物理世界的直觀感受與深刻理解，激發(fā)了探索未知的欲望，全面提升個人的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力。

結(jié)束語

DIS實驗教學(xué)在高一力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，顯著地優(yōu)化了學(xué)習(xí)環(huán)境和提升了學(xué)習(xí)體驗。它不僅將抽象的力學(xué)原理轉(zhuǎn)化為具體的實踐操作，讓學(xué)生能夠在親手操作中深化對力學(xué)知識的理解，更通過引入先進的探究工具，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力和解決問題的能力。此外，“概念—原理”“設(shè)計—探究”“方法—突破”以及“生活—建模”這四種實踐模式，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，也使學(xué)生能夠在多樣化的學(xué)習(xí)活動中，逐步構(gòu)建起完整的力學(xué)知識體系。因此，DIS實驗教學(xué)無疑是高中物理力學(xué)教學(xué)中的一大亮點，其帶來的積極影響值得在今后的教學(xué)中繼續(xù)深入探索和實踐。

參考文獻

[1]唐漪.DIS實驗在物理教學(xué)中的應(yīng)用策略研究[J].啟迪與智慧（上），2024（4）：127-129.

[2]江緒華，李崢，黃稚涓.高中物理基于DIS的實驗微課的開發(fā)與實踐[J].今日教育，2023（6）：56-57.

[3]黃曉博，呼格吉樂.傳統(tǒng)實驗與DIS實驗在高中物理教學(xué)中的對比研究：以“平拋運動”實驗教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2023，52（12）：67-68.

[4]范春陽.以DIS實驗促進高中物理教學(xué)的研究[J].文理導(dǎo)航（中旬），2023（5）：94-96.

[5]萬慶.DIS實驗在高中物理力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].廣西物理，2021，42（2）：68-71.