從勻變速直線運(yùn)動的位移公式談物理教學(xué)與傳感信息技術(shù)的整合

　　現(xiàn)代信息技術(shù)給教育改革帶來了勃勃生機(jī)，其中利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非物理量的測試與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，而且也正逐步引入到中學(xué)物理教學(xué)中。下面以學(xué)習(xí)勻變速直線運(yùn)動的位移公式為例，談?wù)勎覍ξ锢斫虒W(xué)與傳感信息技術(shù)的整合的思考和認(rèn)識。
　　
　　勻變速直線運(yùn)動教學(xué)的現(xiàn)實(shí)困難
　　
　　勻變速直線運(yùn)動是機(jī)械運(yùn)動中的重要運(yùn)動，其中對位移公式的推導(dǎo)和理解是教學(xué)的難點(diǎn)。常規(guī)教學(xué)中對這一公式的推導(dǎo)方法要么不利于新課程所提倡的探究論、過程論的實(shí)施，要么難理解、誤差大、繁瑣效率低。雖然信息技術(shù)手段引入后，教師可使用現(xiàn)代的計算機(jī)輔助教學(xué)軟件和多媒體素材庫來輔助教學(xué)，或采用可視化的模擬實(shí)驗(yàn)，或由課件直接給出圖像，或從靜態(tài)的圖表發(fā)展到動態(tài)模型，幫助學(xué)生理解所學(xué)的知識。但由于模擬實(shí)驗(yàn)畢竟不是真實(shí)實(shí)驗(yàn)，其可信度不高，如果長時間采用這種方式教學(xué)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，設(shè)計、創(chuàng)新的能力都得不到應(yīng)有的訓(xùn)練。而且課件還存在無法應(yīng)對突發(fā)的錯誤、交互技術(shù)不完善等缺陷，所以這些課件并沒有在方法、手段上實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的突破，仍不能解決常規(guī)教學(xué)中的難題。它沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的整合，信息技術(shù)與物理教學(xué)仍然是兩張皮。
　　
　　與傳感信息技術(shù)的整合
　　
　　在這部分知識的教學(xué)中，我們的目標(biāo)是想尋找位移(s)隨時間(t)變化的規(guī)律，而常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的困難在于無法完成對運(yùn)動物體的位移及其相應(yīng)時間的動態(tài)即時測量。如果引入位移傳感器進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，展開教學(xué)，就出現(xiàn)了完全不同于以往的教學(xué)思路和效果。
　　我們采用的是DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其位移傳感器分為發(fā)射模塊與接收模塊兩部分（如圖1所示），能不斷向外發(fā)射紅外線和超聲波的發(fā)射模塊隨小車在傾斜軌道上加速運(yùn)動，接收模塊將接收到的信息通過數(shù)據(jù)采集器輸入計算機(jī)，相應(yīng)的軟件通過紅外線和超聲波的時間差來確定兩個模塊之間的距離，依此確定各個時刻發(fā)射模塊（小車）發(fā)生的位移，測量的原始數(shù)據(jù)可以用表格進(jìn)行呈現(xiàn)，也可以將這些數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)在s-t圖像中。
　　
　　當(dāng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)后，計算機(jī)完成了機(jī)械的繪圖工作，學(xué)生可對選定的區(qū)域自由地進(jìn)行擬合，配套軟件提供了一系列數(shù)學(xué)函數(shù)圖線去擬合選定區(qū)域內(nèi)圖形的功能（如圖2左下側(cè)所示），幫助學(xué)生驗(yàn)證自己的猜想。
　　
　　如圖3所示，學(xué)生進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)線性擬合函數(shù)與原始數(shù)據(jù)偏差較大，說明位移不是時間的一次函數(shù)。經(jīng)探究后學(xué)生會發(fā)現(xiàn)二次擬合線與選取區(qū)域的原始數(shù)據(jù)比較吻合，說明位移是時間的二次函數(shù)。計算機(jī)和配套軟件還提供了與這些擬合線相對照的數(shù)學(xué)函數(shù)方程供學(xué)生參考。
　　
　　由于所進(jìn)行的是一個真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，教師可以有意識地暴露實(shí)驗(yàn)中的矛盾，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題。如：此實(shí)驗(yàn)中的三次擬合線與選定區(qū)域的原始數(shù)據(jù)重合得相當(dāng)好，是偶然的實(shí)驗(yàn)誤差還是位移是時間的三次函數(shù)？學(xué)生不斷地改變實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每次重合得都很好，這就排除了偶然誤差。最后學(xué)生通過計算機(jī)提供的三次擬合函數(shù)方程找到了問題的癥結(jié)：其三次項(xiàng)系數(shù)趨近于零，也就是三次項(xiàng)幾乎不成立，更說明了位移是時間的二次函數(shù)。
　　學(xué)生經(jīng)多次探究后發(fā)現(xiàn)位移是時間的二次函數(shù)，即s=at+bt2，基本上完成了本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)。至于“系數(shù)a和b各與哪些物理知識有關(guān)”的教學(xué)，教師可根據(jù)教學(xué)時間和學(xué)生情況靈活地調(diào)整，既可直接進(jìn)行傳遞式教學(xué)，也可組織學(xué)生展開討論、提出猜想并利用手邊的實(shí)驗(yàn)器材方便地改變實(shí)驗(yàn)條件，如斜面高度、初速度大小、在小車上加砝碼等，進(jìn)一步地探究a和b的本質(zhì)。
　　
　　運(yùn)用傳感技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢
　　
　　1.用位移傳感器研究勻變速直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了位移這一過程量的測量，填補(bǔ)了高中實(shí)驗(yàn)的空白。
　　2.采用傳感器進(jìn)行教學(xué)，將以往教師為主的“教”轉(zhuǎn)變成了以學(xué)生活動為主的“探”， 學(xué)生真正經(jīng)歷完整的科學(xué)研究過程，發(fā)展了學(xué)生的探究能力。
　　3.借助信息技術(shù)每秒鐘數(shù)萬次的數(shù)據(jù)采集和處理量是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)根本無法相比的；提高了實(shí)驗(yàn)效率，拉近了學(xué)生與現(xiàn)代高新科技之間的距離；也將數(shù)學(xué)函數(shù)與圖形相結(jié)合的數(shù)形思想和物理情景及其物理意義交融在一起，有助于培養(yǎng)學(xué)生理性思維和建立數(shù)理統(tǒng)一的觀念。
　　4.在實(shí)驗(yàn)過程中，同一組學(xué)生必須分工合作才能完成實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題時相互討論，共同尋找解決問題的方案。這種協(xié)作式學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作精神，使各層次的學(xué)生都有所發(fā)展，為更多學(xué)生提供了一個施展才能的舞臺。
　　5.由于所有的數(shù)據(jù)都基于真正的實(shí)驗(yàn)，教師可以有意識地暴露實(shí)驗(yàn)中的矛盾，如在這一實(shí)驗(yàn)中教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察二次擬合線和三次擬合線在選定區(qū)域的原始數(shù)據(jù)都重合得相當(dāng)好，這是為什么？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層次的探究。