ＤＩＳ數字實驗系統在物理教學中的作用

【摘要】DIS實驗系統在教學中能夠形象展示物理量的變化過程，利于理解物理概念、分析物理過程，能夠節省更多的時間讓學生用于質疑和自主研究，同時也激發學生產生新的發明創造的靈感。

【關鍵詞】DIS實驗系統；物理概念；物理過程；探究教學；創新因子

【中圖分類號】G40–057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 06—0046—04

新課程教學改革在風風雨雨中走過了七年，學生充分發揮著新課程賦予的自主權利，教師的教學手段百花齊放，教學風格幾乎脫胎換骨。而DIS數字實驗在教學中的逐步滲透又將物理教學改革推上一個新的臺階。《基礎教育課程改革綱要（試行）》要求：課程改革要“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合”。《普通高中#8226;物理課程標準》明確指出：“重視將信息技術應用到物理實驗室……諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據、分析實驗結果等”[1]。現行高中物理教材的許多地方介紹了用傳感器進行的物理實驗。在教學實踐中發現，DIS數字實驗系統引入課堂教學，對新課程的教學改革起到很大的促進作用。就DIS數字實驗系統在課堂教學中發揮的積極作用談點個人的思考。

一 形象展示動態過程，利于理解物理概念

理解現象需要一定的情景，在情境中，學生根據情景的再現來觀察事物的現象，通過現象的分析與思考，從而為建立相應的物理概念提供經驗基礎。傳統的教學方法與實驗難以再現相關的物理現象與過程時，運用DIS實驗創設問題情景，可以為學生展示事物的本質。

例如，在交流電的教學中，有效值概念的理解往往成為空洞的說教，其定義為“如果某直流電流I通過一個電阻發出的熱量與交流電在相同時間內通過同一電阻所發出的熱量相同，我們就說這個交流電的有效值為I”。學生對交流電有效值的理解只是機械的語言記憶，它的物理意義并不能深刻體會，常規的實驗儀器也無法給學生以直觀的感受，但利用DIS實驗卻可以將有效值的真正意義形象地展示給學生。

用兩只電流傳感器分別與兩只完全相同的小燈泡串聯，實驗電路如圖1所示。調節兩個燈泡達到相同亮度——表示相同的功率（燈泡亮度較弱時用眼睛即可判定功率是否相同），此時記錄下電流隨時間變化的I－t圖線，如圖2所示。實驗圖線清楚地記載著兩燈泡具有相同熱功率時的電流時間圖線，曲線表示最大值約為0.4A的交流電，直線表示恒為0.275A的直流電。通過該實驗的演示，雖然還不能得到交流電的最大值與有效值的定量關系，但可以形象表達交流電有效值的意義，對于后面建立“正弦交流電的電流最大值是有效值的 倍”的關系將留下深刻的印象。

可以看出，充分發揮DIS實驗自身的優越性，為學生快速展示事物的本質，可以讓他們思考問題更具方向性，抽象的物理概念也就變得更形象，變得更容易理解了。

二 數據處理能力強大，利于分析物理過程

從教學實踐過程來看，學生在學習物理的過程中，往往對物理過程分析不夠全面、完整，眾所周知分析物理過程是物理學習過程必須形成的能力之一，否則要真正學好物理是不太容易的，因此，幫助學生形成分析物理過程的能力是物理教學過程中一項重要任務。物理過程的分析是建立在對物理過程了解的基礎上進行的，所以教學過程中必須向學生展現豐富多彩的物理過程，讓學生在認識物理過程的過程中逐步形成分析物理過程的能力。DIS數字實驗系統通過實時測量記錄數據，用圖象來描述瞬間量的變化過程，讓學生在定性與定量的分析相結合的基礎上來認識物理過程。

如圖3所示為研究動量變化與沖量關系的裝置，沖力的作用時間短，且是變力，用常規的實驗儀器無法測定短時間內作用力的沖量。這個實驗通過具體的數據與圖表展現了碰撞過程的瞬間變化過程，讓不易觀察的過程形象化，教師可以根據采集的實驗數據引導學生分析，從而幫助學生形成碰撞過程中動量變化與沖量的相關規律。從表1可以看出，強大的數據處理功能讓物理過程中的規律顯露，這個規律來自實實在在的原始數據的分析，學生的深有感觸也就水到渠成。

三 學生自主時間增多，利于實施探究教學

課程改革倡導探究式教學的根本目的是通過探究形成分析現象、分析問題的能力，從而為進一步“創造”“新知識”打下良好的認識基礎與思維習慣。《普通高中#8226;物理課程標準》指出：高中階段的物理課程要給學生提供必要的科學探究機會，讓學生通過自己思維、動手實驗、查閱文獻等，體驗探究過程的曲折和樂趣，發展科學探究的能力，增強對科學探究的理解[2]。教學實驗中發現，在實驗探究教學過程中，實驗探究將占去了大部分時間，根本沒有足夠的時間讓學生充分自由表達、質疑和提問。但在DIS被引入物理教學以后，這種情況就變了，因為DIS實驗為我們贏得了時間。實驗證明，用DIS實驗一般只需要30%的時間用于實驗準備，20%的時間用于數據處理，50%的時間可用于探索研究。因此教師完全有充裕的時間用于引導學生質疑、提問，從而使得探究式教學得以順利進行。研究電源的輸出功率與外電路電阻的關系，傳統的處理方法一般是根據全電路歐姆定律與功率公式進行理論證明，當外電路電阻等于電源內阻時，電源的輸出功率最大。如果改用實驗讓學生自主探究，一節課的時間難以完成大量數據的采集、運算、分析，也將影響教學進度，因此一般不會選擇探究式教學。而運用DIS數字實驗系統進行實驗探究，在數據的采集、運算、分析均由電腦完成，可以節省大量時間。在一次教學過程中，學生連接電路(如圖5)用9分鐘，采集24組數據(如表2)僅用了37秒!設計函數計算電源的總功率、電源的輸出功率、電源的效率用了4分鐘，用電腦作圖分析數據用了5分鐘。整個實驗在不到20分鐘完成，僅占一節課的44%。在剩下的大半教學時間內教師引導學生用來對實驗結果的理論證明和討論，學生可以有充分的時間來進行思考與理論分析，將實驗探究與理論探究充分結合起來。我們在教學過程，讓學生對圖6、圖7的圖象進行分析，學生從不同角度來應用這些數據進行科學分析，形成了關于電源輸出功率與外電路電阻變化的關系，并對輸出效率有了足夠的理解，對輸出功率與效率關系得出了的結論是辯證的，學生體驗了運用辯證觀念來分析物理問題，這是教學設計之初難以想象的。這種方法把學生的物理學習過程，變成了探究過程，在探究過程中實施探究策略。教學實踐表明，運用DIS實驗輔助教學不僅僅是贏得了時間，更重要的是學生能夠充分利用實驗數據進行科學探討，在探討過程進行思維碰撞形成探究能力。這樣探究式教學可以高質量地順利進行，不再成為教學的一種“雞肋”。

四 傳統向現代化過渡，催生更多創新因子

充分運用DIS數字實驗系統有高精確度、高靈敏度、實時測量記錄數據的特點，設計教學活動可以幫助學生對一些生活、生產、自然現象中學生不易觀察的現象進行重新思考與認識，從而讓學生對生活、生產、自然現象產生興趣，為創新提供思想基礎，讓學生養成遇事就要思考的習慣，長期的思考習慣能催生新的創新因子。

例如對跳繩的健身活動，學生也許不會與發電機聯系起來，一方面平常人們是幾乎不用金屬導線跳繩，另一方面電流小。如果教學活動過程用DIS實驗系統對此進行研究必將引起學生的極大興趣。如圖8所示，用金屬導線作為跳繩，在導線兩端連接微電流傳感器，人面向南或北方向跳繩，觀察繩索在切割地磁感線所產生的電流。由這個實驗的啟發，有同學提出可以運用跳繩過程中的感生電流，通過微電流傳感器進行自動計數裝置，可以避免人工計數的誤差。也有同學提出可以運用這個實驗來測定地磁場的強弱等等。總之，一個不經意的實驗教學不僅激發了學生的學習興趣，而且更重要的是引發了學生的“創造”熱情。

由DIS實驗過程、現象而產生的聯想是學生形成創新的源泉，例如學生在研究氣體在等溫過程中壓強(P)與體積(V)的關系實驗中，測定了一系列壓強與體積的數據，并作出 的圖線。但所有同學作出的直線并不是他們預料的通過原點的直線(如圖9)。同學們提出了各種假設，有說是誤差，有說氣體在等溫狀態下就應該遵循這樣的規律……。筆者在教學過程中，根據學生提出的各種假設，在課堂上通過合作研究、討論等形式，然后讓學生代表提出相應的解釋，讓其他同學進行質疑，種種假設在不斷質疑過程中被否定，最終學生一致認為是由于誤差而造成，并提出如下理論分析與解釋：因圖線在P軸上截距的意義是氣體體積無窮大時的壓強，而氣體體積無窮大相當于近似真空，不可能有壓強，因此應該是誤差。原來造成誤差的原因是注射器與壓強傳感器連接管的體積沒有考慮(如圖10)。為了證實他們的猜想，讓直線能通過坐標原點，將體積加上不同的數據進行修正，當每個體積均加1ml時，直線通過了原點(如圖11)。由此啟發，同學們提出，可以用這種原理測定不規則外形微小固體的體積。方法是：取待測物體放在容器中(如注射器中)，測定恒溫下氣體的 圖線，將測定的體積均加上一個數，直到壓強與體積倒數的直線通過坐標原點為止，則加上的那個數為待測固體的體積。

在教學過程中，筆者一次次為學生表現的創造能力而感到興奮，由此筆者認為我們的學生不是沒有創新能力，而是沒有創新機會。因此，物理教師在教學過程中通過對教學方式的轉變，創造讓學生參加創新的機會，學生從教師所創造的機會中不斷汲取養分，形成創新能力。

當新的事物來臨時，作為教者要首先接納，花足時間研究，充分發揮DIS數字實驗系統在物理課堂教學中的作用，更要耐心帶領學生逐步進入現代化的測量時代，進一步挖掘它的功能。在新的教學中，借助DIS實驗系統讓學生充分發揮自主學習的優越性，更要激發學生產生更多的創新靈感，這將是物理教師的時代職責。

參考文獻

[1] 中華人民共國教育部.普通高中#8226;物理課程標準(實驗) [M].北京:人民教育出版社，2003.59.

[2] 中華人民共國教育部.普通高中#8226;物理課程標準(實驗) [M]. 北京:人民教育出版社，2003.56.