基于DIS的物理探究實驗教學設計

白明俠黃 昭張軼炳賈 周

（1寧夏大學教育科學學院，銀川 750021）

（2寧夏大學物理電氣學院，銀川 750021）

（3東南大學電氣工程學院，南京 210037）

基于DIS的物理探究實驗教學設計

白明俠1黃 昭1張軼炳2賈 周3

（1寧夏大學教育科學學院，銀川 750021）

（2寧夏大學物理電氣學院，銀川 750021）

（3東南大學電氣工程學院，南京 210037）

數字化信息系統（DIS）是運用信息技術整合物理實驗教學的高新技術設備；基于DIS的物理探究實驗具有諸多傳統設備不具有的優點；闡述了基于DIS的物理探究實驗的相關理論并結合案例探索構建基于DIS的物理探究實驗教學設計方法；開展基于DIS的物理探究實驗是新課程改革中學物理實驗教學的必然趨勢；旨在引進和倡導基于高科技手段——DIS的物理探究實驗。

數字化信息系統（DIS）；物理探究實驗；新課改；素質教育；教學設計

我國教育部2003年頒布的《高中物理課程標準（實驗稿）》中提出：“重視將信息技術應用到物理實驗室，加快中學物理實驗軟件的開發和應用，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]基于DIS的探究實驗是學習者主動探究的學習，適用于所有理科實驗。它在實驗過程中創設類似科學研究的情境和途徑，讓學生通過使用不同類型的傳感器自己收集、分析和處理數字化信息來體驗知識的產生和創造過程，進而學會學習，培養學生分析問題、解決問題的能力。[2]基于DIS的物理探究實驗的核心是要改變學生的學習方式，強調主動探究，其過程既是學習的過程又是學習的目的。它不同于傳統的實驗教學，它是以學生為主體的新型學習方式，這無疑會給傳統僵化的教學模式帶來巨大沖擊。

1 DIS簡介及其研究內容

數字化信息系統DIS（Digital Information System）是利用計算機接口技術與多媒體技術開發的新型教學設備。由計算機和數據采集器、配套的“師大教育”軟件、教學專用傳感器（圖1）構成。DIS是集物理量的采集、記錄、分析于一體的綜合實驗平臺，支持四路數據并行上傳、實驗結果的線形、二次、高次曲線擬合。可以完成包括函數在內的復雜運算，實現了中學物理實驗設備與計算機的組合使用 （有關設備的詳細資料可直接向南京師范大學課程資源研究所[3]索閱）。

在國家倡導以學生的發展為本，大力推進素質教育和研究性學習的宏觀背景下，觀察物理現象，突出物理建模，培養學生運用科學方法形成和應用物理概念及規律的能力成為物理教學的核心任務。物理實驗教學的地位和作用日益突出，改進和完善物理實驗教學方法和手段，特別是應用DIS技術整合物理實驗教學，正被物理教學界廣泛關注，[4-6]DIS探究過程本身恰恰是它要追求的結果。

基于對物理實驗教學的深刻理解和教育改革形勢的正確判斷，南京師范大學課程研究所開發了數字化物理實驗平臺——DIS。DIS實驗研究的內容涉及所有的物理量（力、電壓、電流、磁場、毫秒、溫度、壓強、光強、聲、G-M技術等），可以獨立采集、發送、處理、上傳，也可以與傳統教學儀器結合起來[7]實驗，使現有實驗室裝備獲得數字化接口。[8]若配合校園網或局域網，可作為理科實驗教與學的互動平臺；若配合實驗評測系統，可以實現理科實驗的考試、評價和診斷于一體。基于DIS的物理實驗在國外發達國家的教育系統中的發展已經十分普遍和成熟，[9]而在國內配備數字化實驗室的學校卻屈指可數（僅有南京金陵中學、武漢華師一附中、深圳寶安中學等）。[10]基于DIS的物理實驗課程研究是目前物理實驗教學研究的熱點，已經有相關論文發表。[11，12]

2 基于DIS物理探究實驗的理論基礎

美國教育家戴爾（E.Dale）在其著作《教學中的視聽方法》中提出了以“經驗之塔”為核心的視聽教學理論。強調抽象的學習經驗必須以具體的學習經驗為基礎，他把學習經驗分為三大類:做的經驗、觀察的經驗、抽象的經驗并組成一個序列，為視聽媒體應用于教學奠定了理論基礎。戴爾的理論對基于DIS的物理探究實驗教學具有重要的指導意義：DIS源于理科實驗和信息技術，把做的經驗（在傳統實驗中介入信息技術），觀察的經驗（實驗過程的演示、再現），抽象的經驗（概念、規律）融為一體。DIS強大的數據處理和圖像分析功能，為具體經驗概括抽象到概念、規律的揭示搭建了優秀的平臺，對學生理解物理概念、物理規律助益匪淺。DIS技術更適合解決探究課題，長于開拓學生“具體經驗”的廣度和深度。基于DIS的物理實驗教學有利于“理解物理概念、分析物理過程、實施探究教學、催生更多創新”。[13]

行為主義學習理論認為學習就是形成刺激和反應的聯結和聯想。斯金納將有機體的行為分為應答性行為和操作性行為。操作性行為由有機體發出，有機體主動地作用于環境。[14]DIS理科實驗設備恰恰具備支撐這一理論的技術要素，而且DIS對信息的選擇、加工、處理更準確，實驗效率更高。因此充分利用DIS設備優勢，大力鼓勵學生動手操作各種傳感器，通過數據采集器獲取數據，利用計算機處理數據，根據表格、圖線能分析、聯想、獲得對物理規律的準確理解。

認知主義學者布魯納認為人的智慧發展沿著動作表征、肖像表征、符號表征三種表征系統順序進行。[14]學生用DIS設備做探究實驗，從而具有動作經驗；利用計算機軟件處理生成動態的圖線、圖表，有利于學生形成表象、建立模型，獲得肖像表征的經驗；在教師語言指導或同伴互助下，形成符號表征（概念、規律）。這樣更有利于學生獨立思考，體驗獲得知識的過程，建立該學科的知識體系。信息加工論者認為人的認知過程是一個主動地尋找信息、接受信息，并在一定的信息結構中進行加工的過程。[14]人類處理信息的能力有限，DIS軟件能將大量數據迅速處理成簡潔易記的信息，利于信息從短時記憶狀態進入長時記憶狀態。由數據生成的圖線、圖表具有簡約的特征，有利于增大信息量和信息加工。同時因為“映象系統一般說來比言語系統更不容易遺忘，因為圖象比句子更容易用表象來編碼”。[15]所以DIS處理實驗數據生成圖表，可以加深對物理概念或規律的理解。

建構主義理論強調探究性學習，DIS則是開展探究實驗最為有效的工具：數據和圖線給學生提供了主動建構知識的便利，把實驗結果與學生的體驗聯系在一起；通過學生的探索、質疑、發現、比較，積極主動去建構并進行有意義的學習。[15]學生進行探究實驗時可以選用不同的DIS傳感器和方案，通過對實驗結果的分析、討論、驗證最終形成概念和規律的正確理解和把握。基于DIS的物理探究實驗的課題選擇和實驗過程更尊重學生的自主性，更有利于調動學生的興趣，在教學的探究性和開放性方面，DIS會有更為廣闊的發展空間。

3 基于DIS的物理探究實驗教學設計方法

基于DIS的物理探究實驗教學設計應著重訓練學生綜合運用知識解決實際問題的能力；內容兼顧實用性、適應性、探索性和實驗方法多元性。充分利用和動手操作現有DIS設備順利完成實驗，達到提高科學探究能力和培養科學探究素養的目的，從而具有必須的批判精神和獨立思考習慣。敏銳地處理有關證據、數字、模型、邏輯推理和不確定性的問題，包括養成使用各種工具、儀器來解決實際問題的意識。[16]基于DIS的物理探究實驗教學設計流程圖見圖2：

圖2 基于DIS的物理探究實驗教學設計流程圖

3.1 選定DIS實驗課題

教師可以提供相關課題的背景信息，讓學生討論他們了解到的信息并選擇所需探究實驗的DIS設備，提出一些具有啟發性的問題供學生思考。教師的問題應分三個層次：基礎問題——綜合問題——未知問題。教師可以針對不同層次的探究性實驗提出不同層次的問題，也可以針對不同的學生選擇著重提出不同的要求，做到因材施教。

3.2 分析因素，提出假設

在確定DIS探究性實驗的課題后，根據已有的物理學知識和經驗、實驗條件、研究方法的可操作性等，綜合權衡以后，提出假說或猜想。分析哪些物理量可直接用DIS傳感器測量，哪些需要通過測量其它物理量來間接計算，如利用歐姆定律測電阻R=U/I。在測量物理量之前，請學生們思考哪些表達式中含有該物理量，分組討論。在選擇公式時，要求在實驗室中容易操作，并且測量精度較高。接下來學生們依據選定的公式和傳感器類型（如電壓傳感器或電流傳感器）來設計實驗方案。

3.3 設計實驗方案

對于選定的DIS探究實驗課題的假說或猜想，學生獨立或在教師的指導下設計實驗方案。實驗方案的設計體現實驗者的綜合知識背景，是探究實驗最重要、關鍵的步驟。DIS探究實驗方案的設計，應具體考慮實驗方法、測量方法、測量儀器和測量條件等因素。

首先，指導學生根據DIS實驗探究課題提出假說或猜想，收集各種需要的實驗資料，即根據一定的物理原理，確定在被測量與可測量之間建立關系的各種可能的方法。然后，比較各種實驗方法所能達到的實驗精度、實驗條件及實施的可能性，以便確定利于發揮DIS優勢的“最佳”實驗方法。

其次，選定好“最佳”實驗方法后還應選擇恰當的測量方法。有的物理量只能用特定的DIS傳感器，但有的物理量的測量卻可以用不同的DIS傳感器組合，這時就應該對測量誤差作初步的分析，務求使測量結果的誤差最小。為此需要對誤差來源及誤差傳遞進行分析，還要對間接測量與直接測量之間關系進行研究。以《天體重力加速度的測定》為例，利用光電門傳感器測出當地的重力加速度的值，然后以此為標準來查找其他天體的重力加速度。先測定重力加速度，取擺長為1m的單擺，測出單擺50次全振動所用時間 t， 則 g=4π2L/T2=4×9.87×1.01/（t/50）2=105/t2。如表 1：

表1 重力加速度與時間對照表

表中每個t值與g值對應，實驗中只要從秒表上讀出時間t，就可以在表格中查出對應的g值。

第三，測量方法選定后應考慮測量該實驗方案的物理量需要哪些與DIS設備配套的輔助材料和實驗環境。如《單擺周期的測量》是探討重力加速度對周期的影響。在演示用的圓形電磁鐵上方懸掛一個單擺（擺長約lm，擺球為小鐵球），靜止時擺球與電磁鐵相距1cm。借此改變重力加速度。或在演示用的圓形電磁鐵的上方懸掛1個電磁擺球（自制或用電磁鐵改制）。

初步提出DIS探究實驗方案后接著進行論證，考察所提方案能否達到實驗要求，實驗測量裝置是否合適，所選的DIS儀器搭配是否合理，是否可以達到所要求的精度，以及誤差傳遞公式檢驗所選擇的實驗條件是否有利于減少誤差等，以便及時修正實驗方案。

3.4 分析實驗、總結結論

第一，形成解釋。學生完成DIS物理探究實驗后，根據物理學的基本概念、基本原理、基本方法，運用歸類、分析、推淪、預測，以及像批判性推理和邏輯等一般方法，提出自己對DIS實驗結果的因果關系的解釋。在形成解釋的過程中，學生將實驗或觀察的結果與己有的知識聯系起來，形成超越已有知識和當前觀察結果的新的理解，以完成新的意義建構。

第二，評價、修正結果。通過DIS探究實驗所得出的數據以及據此推理出來的結果是否能夠證明所提出的解釋？根據DIS實驗所得出的數據還能不能得出其他的解釋？由數據到解釋的推理過程中有沒有明顯的偏見和缺點？比較各自的研究結果，與教師或教材的結果比較來評價可能的解釋。

第三，交流、檢驗、應用結果。學生交流各自的DIS探究過程和結果，一方面學生就自己的DIS探究實驗的設計思想以及自己在探究過程中形成的見解與他人交流，聽取他人的意見和建議并進行討論；另一方面可以就他人的探究結果提出疑問或者不同解釋，改進自己的探究實踐。

4 結語

在基于DIS的物理探究過程中激發學生持久的學習興趣、培養敢于思考、樂于合作、勇于實踐的態度。變被動接受知識的過程為主動探索和獲取知識的過程，注重獲取知識過程的教學，明確探究實驗的學生主體地位。讓學生在基于DIS設備的物理探究活動中體驗探索的艱辛和成功，激發學生探索的興趣和熱情，這與新課程改革的理念是高度一致的。教師引導學生用科學的方法和準確的實驗操作來實踐探究的過程、驗證已有的現象和規律，這樣的探究式教學有利于培養學生的創新意識和創新水平，有利于學生綜合素質的提高。這恰恰是筆者引進和倡導DIS物理探究實驗的初衷。

[1]《高中物理課程標準》[S].北京:教育部，2003，4.

[2]劉炳升，仲扣莊.中學物理教師專業技能訓練[M].北京:高等教育出版社，2004.

[3]南師大課程資源研究所[EB/OL].[2010-01-20][http://www.kczyyjs.com/

[4]劉炳升.走進高中新課改——物理教師必讀[M].南京:南京師范大學出版社，2005.

[5]錢揚義.數字化化學探究實驗室的建設與學生探究能力的培養[J].中國電化教育，2006，（11）.

[6]魏慧軍.基于DIS的上海二期課改高中物理實驗教學現狀調查及分析[D].上海:上海師范大學碩士學位論文，2006.

[7]丁玲.高中物理教學中的傳統實驗和數字化實驗優化整合的實踐研究[D].上海:上海師范大學碩士學位論文，2008.

[8]易勇，李汀萍.數字信息化系統實驗（DIS）的量化規程[J].萍鄉高等專科學校學報，2008，（6）.

[9]李其龍.研究性學習國際視野[M].上海:上海教育出版社，2003.

[10]江蘇蘇威爾科技有限公司[EB/OL].[2010-01-20].http://www.jssw.net/

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[12]唐曉春.DIS在高中生物學實驗中的應用初探[J].生物學通報，2008，（8）.

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[14]施良方.學習論[M].北京:人民教育出版社，2001.

[15]郭軍.大學物理研究性實驗教學體系的構建[D].武漢:華中師范大學碩士學位論文，2006.

[16]美國科學促進協會著.科學素養基準[M].閔實，譯.北京:科學普及出版社，2001.

THE INQUIRY PHYSIC EXPERIMENTS'TEACHING DESIGN OF HIGH SCHOOL BASED ON DIS

BAI Ming-xia1HUANG Zhao1ZHANG Yi-bing2JIA Zhou3
（1 Educational Science Institute of Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021）
（2 Physics and Electronic Institute of Ningxis University， Yinchuan Ningxia 210097）
（3 Information Institute of Nanjing Foreast University，Nanjing Jiangsu 210037 ）

Digital Information System （DIS） is a high-tech laboratory apparatus to combine physics experiments teaching by using information technique.Physics inquiry experiments based on DIS have many strongpoints comparing with traditional ones.The interrelated theories of physics inquiry experiments based on DIS are expounded in details and methods of teaching design are explored following with several cases.The development of physics experiments based on DIS is an inevitable trend.The purpose is to introduce and sparkplug physics inquiry experiments based on a high-tech means-DIS.

Digital Information System （DIS）；Physics Inquiry Experiments；New Curriculum Reform；Quality-oriented Education；Teaching design

G40-012，G434

A

1672－2868（2010）06－0135－05

2010-7-17

寧夏教育科學“十一五”規劃課題-中學物理課程改革與新課程銜接的研究（項目編號：NXJKZ07-4）。

白明俠（1983-），女，滿族，遼寧新民人。在讀研究生，研究方向：物理課程教學論。

責任編輯：陳 鳳