DIS實驗在高中物理教學中的應用

禚彥

DIS，即數字信息系統實驗（Digital Information System）。它由“傳感器＋數據采集器＋實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）＋計算機”構成的新型實驗系統。隨著計算機技術和傳感器技術的不斷發展，計算機實時測量技術已經廣泛應用到科學技術研究以及生產領域，同時也開始應用于中學教學。它改變了傳統的實驗教學方法，形成新的教學模式。

1 數字化實驗的內涵

數字化實驗是以真實實驗為基礎，借助計算機來完成的實驗。數字化實驗應該包括3個方面。

1.1 仿真實驗

仿真實驗是一個開放性的實驗仿真軟件，提供一個實驗器具完備的綜合實驗系統，可以仿真所能想象的所有實驗。例如：可以提供質點模型、彈簧、滑軌等器具，可以提供電場、磁場、重力場、阻尼介質等實驗環境；可以完成自由落體運動、機械能守恒、帶電粒子在電場中的偏轉等實驗項目，人造地球衛星、太陽系的運行等也能利用仿真系統模擬。仿真實驗不但可以演示逼真的實驗動畫，還可以在演示的同時提供相關的實驗實時數據。通過仿真，模擬理想化的實驗環境，幫助學生建立理想化的物理模型，得出物理規律。

1.2 借助傳感器，計算機自動采集和處理數據

在物理實驗中，實驗數據的采集要通過傳感器把各種物理量如力、聲、光、溫度、位移、磁場強度等轉化成模擬電信號，通過1/0和0/1轉換，轉換成計算機能夠識別的數字信號。由計算機采集數據，利用編制的軟件，快速、方便、準確地處理采集到的實驗數據，可以及時得到實驗結果，如計算結果、圖表、誤差分析等。

1.3 用多媒體手段表現物理現象

計算機的多媒體功能越來越強，可以非常直觀形象地表現實驗現象，盡管表現出來的本質是虛擬的，但是它突破了真實物理實驗現象的時空局限，大小、動靜可以變化，使實驗現象的觀察更方便，感受理解更生動。

2 數字化實驗與傳統實驗的比較

在物理課堂教學中引入數字化實驗系統進行演示，可以實現信息技術與物理教學的整合，與傳統的演示實驗相比有許多優越性。

2.1 信息的收集和顯示更精細，更靈活

DIS系統充分利用傳感器收集各類物理量的信息，并把它們轉化成同步變化的電信號，如力的大小信號轉化成電壓大小信號。實驗過程中采用高頻方式采樣，使收集到的信號更加精確和細致。當然，也可以根據需要調整采樣頻率，一般頻率可以從5 Hz調整到1000 Hz，基本上滿足各種實驗的需要。如果不需要采集器自動采樣，也可用手動采樣，即在需要的時候手動控制，進行采樣，這樣使實驗的操作更靈活。

2.2 數據的處理和分析更快捷

DIS實驗系統提供了數據表格功能，它能夠及時錄入數據，并且根據事先編寫好的公式，及時輸出運算結果。收集和處理好數據后，DIS系統可以迅速繪制各類圖像，讓學生通過圖像觀察物理量之間的關系。如利用圖像功能研究滑動摩擦力與壓力之間關系時，所顯示出來的摩擦力——正壓力圖像是一條直線，關系一目了然。

2.3 高效的DIS實驗為學生爭取更多的時間進行研究

傳統的實驗數據都需要學生自己來處理，雖然可以提高學生的運算能力，但耗費大量時間，使學生沒有更多時間來對結果作進一步的分析和運算，而后面的學習環節往往又是學生分析綜合能力得以提升的大好時機。利用高效的DIS實驗的學生可以把原本用于采集處理數據的時間節約下來，使實驗探究環節更加深入、全面，從而使課堂效率更高，節奏更快。

3 數字化實驗系統的應用有利于開展探究性教學

在教學實驗中，通過實驗再現科學發現的過程，讓學生體驗到“猜想——驗證——歸納”的科學探究過程，初步掌握科學研究的方法，提高探究過程的實效。

3.1 擴展課堂內容，增加探究的廣度

高中物理課堂中有很多學生實驗和演示實驗,由于受到常規實驗儀器、實驗材料等條件的限制，實驗效果不盡如人意。例如單擺的實驗中，教材中提供的只是擺角小于5°的近似表達式，如果擺角大于5°的情況下又是什么結果呢？如果擺球在液體中擺動呢？將細繩換成橡皮筋結果又怎樣呢？需要借助各種傳感器來采集數據和分析結果。通過數字化實驗模擬一些重要的在目前條件下難以完成的實驗，彌補常規實驗的不足，拓展實驗的廣度。并且有利于提高學生使用計算機的操作技能，使學生提高拓展知識的能力，激發學習熱情。

3.2 突破重點、難點，增加探究的深度

數字化實驗可以使抽象的物理過程和概念具體化，微觀現象直觀化，有利于優化課堂教學結構，突破重點難點，使探究成為可能。實驗可以讓“不可見”的物理量通過計算機反映出來，如位移、力、磁感應強度等。碰撞的內容屬于學習的難點，也是考試的重點。有關碰撞的實驗題目很多，但是具體兩個物體碰撞的具體過程是什么樣的？兩個物體從開始碰撞到分開的瞬間，它們的速度又是怎樣變化的？彈性和非彈性又有什么不同？由于碰撞過程非常短暫，只是一個瞬間，用常規的傳統手段得不到任何數據，只能做理論的假設，借助傳感器連續采集大量數據的優點，使問題有效地解決，增加探究的深度。

4 理性認識數字化實驗

4.1 數字化實驗不能代替傳統實驗

數字化實驗從數據采集和分析上大大優于傳統手段的實驗，但是傳統實驗是培養學生基本實驗能力和實驗素養的載體，是不能忽略的教學環節。新一輪基礎教育改革對學生物理實驗能力提出全面和深刻的要求。傳統的實驗方法能夠培養學生準確、深刻的觀察力，實驗過程要求學生觀察快速、選擇準確，提高學生觀察的敏銳程度；傳統實驗還能培養學生的操作能力，為了獲取大量的數據，學生必須反復操作，從而操作熟練，手眼協調。數字化實驗依靠計算機操作平臺，學生直接獲得數據和分析結果，但是計算機程序編制的依據卻不得而知，傳統性實驗正是培養學生編制實驗程序和數據處理的能力，包括有效數字的使用和實驗誤差的分析。傳統性實驗有助于培養學生實事求是的科學態度，即忠于實驗現象和實驗數據的科學作風，即使實驗中出現較大的偏差，也必須承認，從而反思找原因，培養學生思考、質疑、堅韌和創新的精神。數字化實驗在探究方面表現很強的優勢，但決不能把數字化引進到所有的傳統實驗中，偏離基礎教育的要求。

4.2 傳感器的實驗不只是運用傳感器，還應該包括如何制作傳感器

傳統的物理實驗是將各種物理量例如溫度、時間、力、加速度等轉化為長度進行度量。例如桿秤就是把質量的測量轉化成長度的測量，溫度計就是利用水銀熱脹冷縮的特性用長度來表示溫度。指針式手表就是把時間轉換成角度來讓人們測量時間的變化。傳感器則是將各種物理量轉換成電信號，人們對電信號做出進一步的分析和處理。學生應該了解基本傳感器的概念，并且應該了解基本傳感器的組成，了解物理量轉換成電信號的器件。數字化實驗室應該包含制作傳感器的內容。將傳感器化整為零，放大，讓學生從多種傳感器件中選擇制作不同的傳感器。如制作光電傳感器，既可以用光電池，也可以用光電二極管；既可以根據光強變化制作，也可以根據遮擋的距離做計數器、根據實驗的不同，傳感器所放置的位置和要求有所不同，從而加深學生對現代科技方法的認識，培養獨立設計實驗的能力。

總之，在新課改培養學生創新能力的教學目標要求下，應該了解數字化實驗的內涵，理智地看待目前數字化實驗室的流行，將數字化實驗和傳統實驗結合起來，為學生提供更加寬泛的實驗領域，培養學生的探究創新能力和綜合信息的處理能力。

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