DIS数字化信息系统在中学物理实验教学中的应用研究，本文主要内容关键词为：信息系统论文,在中论文,物理实验论文,教学中论文,DIS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。
回顾近半个世纪的物理教育改革，最重要的成就是逐步确立了现代物理教学观。教学过程从强调论证知识的结论向获取知识的科学过程转化，从强调单纯积累知识向探求知识方向转变。重视科学过程和重视能力培养，构成了现代物理教育的基本原则。而物理学中，概念的形成、规律的发现、理论的建立，都有赖于实验。因此，强调重视实验、改进实验，成为新课改对物理教学的基本要求。
一、DIS的定义及其构成
DIS(Digital Information System)实验技术，又称：“数字化信息系统”，是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机”构成的新型实验系统。该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。
传感器主要包括电流、电压、压强、温度、声波、位移、力、磁、光电门等多种传感器。它们的主要功能是实时地动态地测量各种物理量并把他们统一转化成电信号送入数据采集器。并且，多种传感器可以组合使用。在复杂实验中，相比功能单一的传统仪器仪表，这种组合的优势更加明显——组合意味着进一步的创新。比如，光电门和力传感器的组合构成了“向心力实验仪”的基础；电流传感器和力传感器组合出了“安培力测量装置”；而磁感强度传感器与位移传感器的组合，则创造性地获得了“磁感强度—距离”关系图线。
数据采集器，与计算机之间以串行方式通信。它可以同时接入四路传感器、并行输入，它的主要功能是：将由各类传感器采集到的各种具有模拟特征的物理量转换成计算机可以接受的数字量。
DIS系统的软件主要包括教材专用软件和教材通用软件两种。教材专用软件主要是针对物理教材中的实验研发而成，它可以完成中学物理教材中几乎所有的演示实验和学生实验，简洁、易用，更贴近课堂教学；教材通用软件，可以自行设定许多功能，如组合、显示、分析计算、曲线拟合等扩展功能，因而更适于探索研究。
二、实验技术的技术特征
从以上对DIS组成结构和功能的介绍可以看出，DIS实验技术的价值主要表现在：可以方便、迅速地采集现实生活或实验室中各类物理量的信息，并通过计算机接口技术，将采集到的各类物理量信息传输给计算机进行多元化的分析处理。其中，DIS实验技术所具有的函数图像处理功能，能直观地揭示出相关物理量之间的关系。因而，有利于我们对研究对象进行定性和定量两个层面的探究。此外不难看出，多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台、强大的函数图象处理等是DIS实验技术具有的主要技术特征。借助于这样的技术支撑，可以使我们对物理现象进行多角度的感知和多视角的深入分析与研究。因而DIS实验技术具有独特的教学功能。
三、DIS在物理实验教学中的地位和作用
中学阶段是人生承上启下的重大时期，DIS实验将实验数据数字化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，使用该系统能够完成力学、运动学、电磁学、光学、热学及原子物理实验数百个，这恰好很适合中学生的生理、心理需求，从而表现为强大的教育功能。DIS实验能激发学生学习的兴趣，是促进学生主动学习的一个有效方法，具有激励功能：实验能呈现物理学习所必需的感性资料，提供学习情景，具有情景功能；实验能点出问题的起点，拨动学生思维，能点出问题的关键，拨正思维方向，具有点拨功能；实验能揭示现象的本质，解释问题的原因，具有释疑功能；实验还能训练学生的思维，培养观察、操作能力，具有能力训练功能；实验有助于体验、认识和运用科学方法，有助于开展科学态度教育，有利于培养学生团结协作、积极进取的科学精神，具有教育功能；实验过程本身作为一种科学实践过程，能为培养学生的创新精神和实践能力提供有效的渠道和宽广的空间，具有实践创新功能。
总之，DIS能将现代化的教育手段应用于教学，基于DIS的中学物理实验教学能实现“求知、应用、教育和发展”的教学功能，注重知识和技能的结合，强调物理规律形成的过程和探究方法，教学过程中能培养学生的情感、态度和价值观。基于DIS的物理实验教学是优化学生学习方式的有效手段。基于DIS的物理实验教学倡导学生主动参与交流、合作、探究等多种学习活动，改进学习方式，使学生真正成为学习的主人；强调培养学生的创新精神、实践能力，收集、处理、使用信息的能力；发现、分析和解决实际问题的能力，形成科学态度，学会科学方法；具有独立思考、自主探究的精神与求实创新的意识。
四、实验实例及分析
1.教学目标
(1)通过深入探索实验，培养学生设计、探究的能力。
(2)通过简谐运动规律的揭示和整合，培养学生自主意义建构的能力。
(3)通过操作DIS实验系统，使学生能够熟悉现代化的实验仪器，掌握新的信息采集和处理方式。
2.教学重点与难点
(1)简谐运动概念的理解。
(2)水平弹簧振子运动（水平）规律的探索。
3.实验过程
(1)实验目的：观察弹簧振子的振动图像。
(2)实验原理：将位移传感器发射器作为弹簧振子固定在弹簧振子实验器上并使之振动，获得的s-t曲线即为弹簧振子的振动图像。
(3)实验器材：DIS数字化实验系统（本文以朗威DISLab V6.0为例）、计算机、弹簧振子实验器等。
(4)实验装置（如图1）。
图1 实验装置图
(5)实验操作：①将位移传感器发射器作为弹簧振子使用，悬吊并可做水平振动。将位移传感器接收器固定在另一侧，使之与接收器处于同一平面且基本正对；②将实验窗口调整为“示波显示”方式；③打开位移传感器发射器的电源开关，使之水平振动，可以观察到弹簧振子振动图像（如图2所示）。
图2 振动图像
建议：①尝试改变弹簧振子的质量，探究质量对振动周期的影响；②利用位移传感器的特点，鼓励学生自行设计构造弹簧振子实验器。
4.教学策略
利用多种教学手段创设机械振动问题情境，引导学生分析、归纳，利用DIS系统提供的开放性探究性实验平台，引导学生自主设计弹簧振子实验方案，进行实验探索，独立建构意义。
5.整合与拓展
实验结果是否具有普遍性呢?是否具有推广的价值呢?对于别的情况也适用吗?如果是以下几种情况，结果是否还会一致?
(1)用两根弹簧水平拴住振子；(2)竖直放置弹簧振子；(3)把弹簧振子放在光滑的倾斜的斜面上。提议课下再设计实验探究，继续探究。
6.提升
通过对简谐振动规律的由简单到复杂的一系列探究过程，要让学生对科学研究方法——控制变量法有更深入的理解，体会到方法的重要性。大胆的猜测，严密的求证，培养学生严谨的科学态度。对误差进行分析，采取新的方法减小误差，培养学生对真理的不懈追求。
7.体会与反思
(1)DIS实验与物理学科研究性学习的整合，应在新的教学理念指导下，强调知识与技能，过程与方法，情感、态度与价值观的三位一体，以基础知识为本，将思想、方法融入过程之中，将学生体验融入活动之中，在活动中提升价值观。
(2)DIS实验与物理学科研究性学习的整合，不是简单的重复传统的实验，而是应该有所创新，有所超越。这需要提供特定的情境，从中引出所需要探究的问题，利用DIS实验的强大功能引导学生主动探索，研究，培养学生的创新精神和实践能力。
(3)DIS实验与物理学科研究性学习的整合，不能仅仅是把DIS作为学生学习的工具，教师教学的手段，重要的是改变传统的教师的教学方式，学生的学习方式。要使学生从被动接受到主动探究，建构知识，获得技能，利用DIS去发现、体验、感悟，使学生学会对信息的获取、分析、判断、选择、处理，充分发挥学生的主体性，培养学生的创新精神、合作能力、团队精神。
8.案后语
(1)传统教材中，弹簧振子模型中的回复力与位移的关系，往往用胡克定律简单处理，易给学生留下突兀的感觉，还有的学生对此产生怀疑。针对这种情况，根据新课程理念，应给学生一个清晰的证明。但是，回复力和位移都在时刻变化，传统器材根本无法准确测量。利用DIS，进行实时测量，较好地解决了这个问题。及时采集数据，并且绘成图线，学生一眼看出是正比例函数，易于学生理解，对解除学生的怀疑具有更大的说服力，显示出DIS的优越性。
(2)利用DIS不仅可以探究回复力与位移的关系，还可以探究回复力与速度的关系，甚至回复力与加速度的关系。可以让学生在课下自主探究，这样不仅可以培养学生的探究意识、动手操作能力，更重要的是在探究过程中，使学生对物理学方法、思想有了更深刻的感悟。这些都是传统仪器无法做到，使用课件也无法达到的教学效果，充分显示出DIS具有强大的生命力。
(3)从实验实例中我们可以看出，使用DIS，重点要放在对探究问题的提炼上，放在探究实验的设计上，关注学生的讨论和生成资源，关注对学生的反思与评价，而不仅仅是关注探究的结果。在完成教学任务的同时，更要关注学生的发展。
五、结束语
应用DIS，不仅是技术层面的提高，更是教育思想观念的进步。首先，传感器、计算机等等信息技术设备都是物理学发展和进步的成果，将其应用到物理实验教学当中，本身就是开阔视野、与时俱进的举措。同时也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供了鲜活的素材。其次，工具的发展是脑的扩展、手的延伸，是人类文明进步的阶梯。有了飞机，人类领略到了天空的高远；有了宇宙飞船，人类体验到了太空的深邃；有了先进的实验手段，学生们必定能够收获足以令我们意想不到的成功。