数字化实验系统在高中物理教学中应用的探究与思考，本文主要内容关键词为：高中物理论文,系统论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
《物理课程标准》中指出：“多媒体计算机已经显示出它在科学教育中的巨大发展潜力。在物理课的学习中，应根据实际内容的需要，选用多种类型的多媒体辅助教学软件，重视传统媒体和计算机多媒体的有效利用，充分发挥它们在物理教学中的功能。”
数字化信息系统实验室（简称DIS实验室）是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型数字化物理实验系统。高中物理新教材中的一些演示实验和“做一做”等师生互动栏目中都第一次出现了用计算机描绘图像的内容。DIS顺应了新课标提出的要求，得到了广大物理教师的认可和欢迎。
“春江水暖鸭先知”，我校在2006年引进了数字化教学实验系统，并组建了数字化物理实验室，为广大师生学习和应用数字化物理实验搭建了很好的平台。通过两年的实践研究，在物理团队的共同努力和合作下，我们在这方面积累了一定的经验，同时也引发了一些理性的思考。
一、新课程背景下，DIS在物理教学中的应用探究
DIS具有“采集便捷，计算准确，实时呈现”的优势，用好DIS可以弥补传统实验的不足，收到良好的教学效果。
(1)以图像为手段，突破教学难点
利用DIS强大的作图功能，以图像的表达方式呈现相关物理量的动态变化过程，让学生接受真实的实验结果，帮助学生实现概念的转变。初学超重、失重时，有很多学生误认为“只有物体做上升运动时，才会产生超重；而只有向下运动时才产生失重。”我们可以将DIS的力传感器与物体的上端相连（图1a所示见下页），用手拿住物体从静止开始向上运动直至停止，然后再从静止开始向下运动至停止。测出物体在上升（或下降）过程中与力传感器相连的力的大小随时间的变化关系。图1b（见下页）是通过DIS画出的上升物体在静止—运动—静止过程中的力—时间的图像（前一部分）和下降的物体在静止—运动—静止过程中的力—时间的图像（后一部分）。
。通过实验学生能感受原来的认知与实际情况的冲突，从而加深对问题的理解。
图1
以图像的形式建立空间图景，解决教学中的疑点。学生在学习磁场的过程中，对于“通电螺线管哪一点的磁场最强”这个问题感到比较疑惑，有很多学生会认为磁场最强的点在通电螺线管的南极或北极。因为教材上指出：通电螺线管的磁场与条形磁铁非常类似，条形磁铁在南极和北极的磁性最强。为了解决这个问题，我们可以将干电池作为电源，干电池与螺线管相连（如图2a所示）。先将电源断开，用磁传感器先测一下区域地磁场的强度，图2c是得到的磁场—时间图；然后接通电源，通电螺线管周围就新增一个磁场，将磁传感器以一定的速度穿过通电螺线管（如图2b所示），计算机上就显示出了磁感应强度随时间变化的图像，如图2d所示。图2d中由于通电螺线管磁场的存在，使得磁传感器周围的磁场明显增强。磁场增强的越大，则说明通电螺线管在此区域产生的磁场也就越强。不难得到，通电螺线管的中间磁场最强。
(2)利用DIS开发新实验，填补传统实验空白
DIS系统可以填补传统实验模式下无法完成的空白，使说理更具科学性，加深学生对于物理问题的认识。“电容”在高中电学中是一个重要的物理概念。目前的教材中大都是这样来阐述的：“实验表明，一个电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U成正比，比值Q/U是一个常数。但不同的电容器，这个比值一般是不同的，可见，这个比值表征了电容器储存电荷的本领，我们把这个比值叫做电容”。学生得到的是一个抽象的概念，如果能用实验来演示和证明，不仅能增强说服力，更能加深对此概念的理解，也为后面的学习打好基础。但由于电容充放电时间很短，一般电表存在惯性，无法测量充放电过程的电流，而DIS就能解决这个问题。利用DIS电流传感器对电流的大小实时跟踪，通过同一个电容器在不同电压下的Q值以及不同的电容器在相同的电压下的Q值的比较，来确定Q/U是否相等。实验电路如图3a所示。实验步骤如下：①学生电源电压为
，将电键S打到1，对电容器
充电。当S打到2时，电容器开始放电，通过电流传感器，计算机系统屏幕上出现i-t图（如图3b所示）。利用系统自带的数据分析是“求面积”的功能（如图3c所示），直接可得到电容器i-t图的面积（如图3d所示），即电容器充电完毕后电容器所带的电荷量Q。②分别在U为7V、11V、13V、15V情况下，重复步骤①、③。改换成电容器
，在电压为15V时，重复步骤①。
图2
将电容器，在不同电压下的i-t图得到不同的“面积”，如表1：
表1
可见，在实验误差允许的范围内，同一个电容器的Q/U是相同的，而不同的电容器在相同的电压下Q/U是不同的，Q/U表征了电容器本身的属性，从而引出电容的概念便“水到渠成”。
图3
(3)实现“测量—记录—呈现”一体化，快速得到实验结论
在物理教学的过程中，有些需要用理论推证得出的结论，我们可以利用DIS的“测量—记录—呈现”一体化的功能，快速得到实验结论或验证实验结果，从而节省时间，提高效率。下面以证明弹簧振子所作运动为简谐运动为例具体介绍。如图4a所示，用力传感器和位移传感器实时监控弹簧振子受力和位移，同步采集弹簧振子力和位移在各个时刻的数据，得到力和位移的关系，如图4b示。从图4b我们可以看出：在振子静止时，力传感器所显示的力为一个恒定的值，当振子运动时，在力—位移图像中是一条斜线，若将坐标轴进行适当的平移，可证明力与位移应该是一个反比例函数的关系式。
(4)利用DIS强大的数据处理功能，开展探究性实验
利用DIS强大的数据处理功能，可以将传统的理论推导转变为实验探究，为学生开展探究性实验提供了新的素材。
图4
例如动能定理的得出，几乎所有的物理教材包括新教材必修2（人教2004年版）都是通过牛顿第二定律和运动学公式理论推导出来的。利用DIS，将传感器得到的有关参量进行编辑后得到实验结果。测出滑块的质量和挡板的宽度，如图5a所示，让导轨稍加倾斜，使滑块在重力的作用下加速下滑，先后通过两个挡板。利用光电门传感器可测出挡板通过光电门的时间，从而来确定速度。量出两个光电门传感器之间的高度，可得到重力所做的功。将参量进行编辑后，得到如图5b所示表格：比较W、
的大小，在实验误差的范围内，动能增量等于外力做的功。
图5
其他如变力作用下的动量定理及探究音调、响度、音色的关系等都是很好的实验探究素材。
(5)探索DIS与传统实验手段的优势互补
DIS与目前的高科技相联系，为中学物理教学增添了一种先进的实验手段。但是，传统实验也有自己的优势，坛坛罐罐，取材容易，原理清楚，效果明显，但定量计算相对比较困难，实时记录无法完成，实验效率低。可见二者各有千秋，我们应该从实际出发，努力实现优势互补，这样的例子有很多，如研究弹簧振子的固有周期：
传统实验：如图6a所示，将弹簧上端固定，下端悬吊钢球。把钢球从平衡位置向下拉下一段距离A，放手让其运动，A就是振动的振幅。用秒表测出钢球完成n个全振动所用的时间t，t/n就是振动的周期。将振幅A减小后，重复实验，测得周期，得到实验结论。
DIS：把两个软弹簧、滑块和气垫导轨组成弹簧振子。用DIS超声波传感器实时监测滑块的振动，绘制弹簧振子的位移—时间图像。其装置如图6b所示。静止时，振子处于平衡位置。先将振子拉开较大的距离，使振子作振幅较大的简谐运动，得到如图6c所示的位移—时间图像，减小振子的振幅，得到如图6d所示的位移—时间图像。将上述两个图像粘贴到画图板中，进行适当的平移，得到如图6e所示的图像。从图像分析我们非常清楚得出结论：弹簧振子的周期与振幅无关。那么，弹簧振子的周期与哪些因素有关呢？可分别改变振子的质量和换上劲度系数不同的弹簧分别重复上述实验，得到上述不同情况下的位移—时间图像。综上所述，弹簧振子的周期与振子的质量和弹簧的劲度系数有关。
通过比较，我们不难看出：在这个实验中，DIS数据记录和图像描绘短时完成的功能使实验效率大幅度提高，从而增加了课堂的密度。但在实验过程，必要的物理实验操作方法和技能得不到提高，例如多次测量取平均值的方法、秒表的使用技能等。用传统的实验手段来做实验则实验过程直观、明了，有利于培养学生的实验能力和科学素养，但比较费时。两种实验模式各有利弊，可以因情制宜，实现优势互补。
图6
二、关于DIS应用的几点思考
(1)DIS不可能也不应该替代传统实验
人们对新事物的认识与理解往往容易从一个极端跳到另一个极端，我们应该坚持辩证的思维方法，看到事物的两面性，DIS也是如此。DIS虽然具有实时测量、极其强大的数据处理和作图功能等优点，但它不是万能的，它不能完全替代传统实验，因为它最终显示的是一个实验结果，至于这个实验数据是如何测得的，学生不知道葫芦里卖的什么药——搞不清楚，甚至会使学生对问题的理解产生一定的偏差，学生难以理解物理学习的实质。传统实验可以培养学生的各项实验技能，对学生科学素养的形成具有不可替代的作用。
(2)DIS的使用效率有待提高
建设一个DIS实验室，至少耗资20余万元，受到学校教育经费的限制，在目前的情况下很难做到每所学校都去引进DIS系统。因此，要在每所学校都推广DIS具有一定的困难。另一方面，一个学校的DIS实验室的闲置率也太高，可以在一定范围内建立DIS中心，实现资源共享。在软件上，可以通过各种教研活动等形式交流DIS应用方面的各种经验。
(3)努力实现DIS与传统实验的有机整合
各种教学资源的整合是当前课程改革的重点之一。教学资源的整合包括多方面，信息技术与物理学科的整合是其中之一。DIS是现代科技与物理学科整合的结果。实体形态的技术在物理学科中的应用便是开发出了DIS，但怎样合理的利用它，怎样做才能符合教学规律和学生认知的特点，怎样最大限度地发挥DIS的教学功能和作用，必须得到教学经验和教学理论的参与和支持，这才是我们需要关注的。
首先，我们对于DIS要有一个正确的认识，既不一味追求，也不盲目排斥，在教学效果优先的原则下，因时因校因实验而作选择，谁适用谁优先，体现一种选择性的整合。如在能应用现成的软件条件下，可以省时省工，宜采用DIS；但中学物理中有更多的是教师即兴的小实验，或者学生集体参加的课外活动，如“鸡蛋撞地球”，“制作水火箭”等，必须采用传统实验方式。在难以取舍的情况下，应从知识与技能、过程与方法、态度情感价值观三维目标出发，建立一系列量化规程。根据量化规程的评价及评分，考虑具体如何使用。
其次，传统实验与DIS应实现有机的融合。所谓融合，就是你中有我，我中有你，如在定性问题上，先做一些传统实验，再辅之以DIS，使实验更准确更科学。在实时数据采集上可优先考虑DIS，在实验原理的演示上辅之以传统实验，实现优势互补。
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