DIS實驗和傳統物理實驗在教學實踐中的對比研究

夏良英 李永洪 張喜林

（東莞中學松山湖學校，廣東 東莞 523808）

1 問題的提出

我國2003年頒布的《普通高中物理課程標準》中強調：“重視將信息技術應用到物理實驗中，加快中學生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.”DISLab就是在這樣的背景下被開發和引入到中學物理教學的.現行高中物理教材的許多地方都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了很大的促進作用.特別是在教育發達的上海、江蘇一帶，數字化實驗教學研究較為普遍，主要表現在數字化實驗與傳統演示實驗的對比研究，以及對中學教材中出現的物理實驗進行修正與改進.一些有經濟實力的學校率先建立了數字化探究實驗室，但由于諸多原因并未開放給學生，實現真正的探究，甚至在課堂演示實驗中也很少用到DIS.DIS實驗到底為何沒有得到大力的推廣？是教師的原因，學生的原因，還是DIS本身的原因？還有DIS實驗對于培養學生的物理思維和實驗能力真的比傳統實驗好嗎？傳統物理實驗和DIS實驗在教學實踐中各自的優缺點是什么呢？這些國內并沒有開展相應的研究.

2 對比分析DIS實驗和傳統物理實驗

對比分析兩類實驗在實驗過程及其效果中的不同點及各自的優缺點，具體指導同一個物理實驗到底應采用DIS實驗還是傳統實驗（選取廣東高考考綱要求的12個實驗）.

2.1 驗證性實驗（表1）

表1

續表

2.2 探究性實驗（表2）

表2

2.3 測定性實驗（表3）

表3

3 編出實驗題目對學生進行測試

為了對比研究DIS實驗和傳統物理實驗在教學實踐中的優缺點，本研究主要選取廣東高考考綱要求的12個實驗.但考慮到一些實驗的可操作性以及測試結果的準確度，實際只選取“驗證動量守恒定律”和“驗證機械能守恒定律”2個實驗.

參加測試的人數為104人，都是高二的學生，其中7班50人，8班54人.2個班級都利用傳統儀器（“驗證動量守恒定律”實驗利用平拋運動和氣墊導軌，“驗證機械能守恒定律”利用打點計時器）進行了分組實驗，其中7班還進行了DIS數字化實驗，測試結果見表4.

表4

2個實驗的測試題目選自高考模擬試題，注重考查學生對實驗原理、實驗操作、數據處理和誤差的分析.為了統計方便，所有的測試題都設置為選擇題，2個班級的平均分分別是55.2分和55.6分，總平均分55.4分.從總平均分來看，兩個班級幾乎沒有差別，也就說明利用DIS進行實驗后學生在實驗原理、實驗操作、數據處理和誤差分析等方面的能力并沒有得到明顯的提高.從每個小題的得分情況來看，7班在對實驗原理方面的理解比8班有明顯的差距（第5題選出驗證動量守恒定律的表達式，7班得分率50%，8班得分率88.3%）；在對光電門和光電計時器的掌握上，7班有一定的優勢（分別是第10、11題，7班的得分率分別是96%、100%，8班的得分率分別為83.3%、88.9%）.這一結果反應了DIS數字化實驗強化了學生對光電門和光電計時器的掌握，弱化了學生對實驗原理和方法的理解.

在“驗證機械能守恒定律”實驗的測試題中，為了保證測試題目的公平性，沒有引入光電門和光電計時器（因為8班只利用打點計時器來進行實驗），從測試題的得分來看7班22.7分，8班22.5分，2個班級得分相差無幾，掌握程度相當.

經分析，這2個實驗利用DIS進行數字化實驗，強化了學生對光電門和光電計時器的掌握，但對學生在實驗原理、實驗操作、數據處理和誤差分析等方面的能力提升沒有明顯的幫助，還可能會弱化對實驗原理的理解和掌握.

4 在常規教學中對比分析DIS實驗和傳統實驗在培養學生物理思維和實驗能力方面的不同點及各自的優缺點.

為什么會出現上述測試結果呢？究其原因，還得從DIS實驗和傳統實驗的特點進行分析研究.

4.1 DIS實驗和傳統實驗的裝置組成

DIS實驗，又稱“數字化信息系統”，是由“傳感器＋數據采集器＋實驗軟件包＋計算機”構成的新型實驗系統.該系統成功地克服了傳統物理實驗儀器的諸多弊端，利用傳感器，例如電流、電壓、壓強、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等，可以實時地動態地測量各種物理量并把它們統一轉化成電信號輸入數據采集器，有力地支持了信息技術與物理教學的全面整合，而且多類型的信息傳感器、多通道的數據采集器、多樣化的自主操控平臺、強大的函數圖像處理等，可以幫助對物理現象進行多角度的感知和多視角的深入分析與研究.

而傳統實驗中所用到的設備，絕大多數是以18、19世紀的物理學知識作為理論支撐，使用了幾十年甚至上百年的老式裝備，主要包括：秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點計時器、電壓表、電流表、溫度計等.這套設備的特點是每一個實驗都必須由多種儀器組合使用，實驗進程緩慢，精度不高，且要通過進行大量的人工計算來分析處理實驗信息.

4.2 DIS實驗和傳統實驗對學生觀察、數據處理能力的培養

傳統實驗側重于培養認真、細致、耐心等觀察習慣；重視正確選擇和使用儀器的能力培養；重視學生技能的訓練；充分培養學生的計算能力、作圖能力及利用數學知識解決物理問題的能力.DIS實驗則側重于培養學生在觀察中思考探究的能力；有利于提升學生利用現代化信息技術進行學習和拓展知識的能力；在數據處理過程中，有助于訓練學生的數學圖形分析能力、對復雜物理問題的分析判斷能力.

例如，在講牛頓第三定律時，傳統實驗利用2個彈簧秤相互鉤住向相反方向，通過彈簧秤的示數變化來說明作用力與反作用力的關系.可是由于彈簧的精度太低，微小力的變化難以測出來.DIS實驗（如圖1）利用2個力傳感器作相同的實驗，精度高，效果好.傳感器不但能夠靈敏顯示微小力的變化，而且能即時描繪出作用力與反作用力的力變化圖像，形象直觀地看出作用力與反作用力的性質.

圖1

但是數字化實驗僅僅只是在數據處理的時間上、精確度上以及圖像展示上，具有傳統實驗無法比擬的優勢，DIS實驗數據處理得更快、更準確、更直觀.而對于物理原理的理解、物理思維的培養和動手能力、繪圖能力的鍛煉，與傳統實驗對比，DIS實驗對學生各方面的能力培養不足.例如，在“驗證機械能守恒定律”實驗中，傳統實驗要求學生根據紙帶所打的點，利用平均速度公式計算某點的瞬時速度，進而通過求解驗證.而DIS實驗直接通過數據采集器采集重物下落的瞬時速度，然后由計算機直接反映出結果，這樣雖然使得實驗迅速、準確，但學生少了思考以及動手計算的機會，對學生能力培養不利.

綜上，在物理教學中，實驗的目的在于探索或驗證物理規律，這就要求學生必須具有分析和處理實驗數據的能力.傳統實驗在數據處理方面所花的時間很長，在數據處理過程中，學生要經過詳細的計算或描點作圖，才能夠根據計算的結果或作出的圖像進行分析歸納并得出結論.這可以充分培養學生的作圖能力和計算能力，及利用數學知識解決物理問題的能力.但同時由于計算過程太過冗長，導致學生用于探索研究的時間較短.DIS實驗則正好相反，它用于數據處理的時間很少，這些工作都由計算機來完成.學生的主要任務是根據數據進行探索、研究、推測結論，然后選擇合適的函數進行擬合.這與傳統實驗明顯不同，DIS實驗給了學生很長的時間進行探索研究.

4.3 DIS實驗和傳統實驗對學生思維能力培養

（1）對學生設計實驗的能力及自主探究能力的培養.

基于社會發展對創新人才的需求，培養學生獨立設計實驗方案的能力及自主探究的創新和鉆研能力已在實驗教學中占有越來越重要的地位.傳統實驗由于儀器的簡陋和操作的繁瑣，一些必要的測量無法實現，因此對學生的設計要求具有很大的局限性，也限制了學生探究和鉆研的深度與廣度.DIS實驗則為解決這類難題提供了器材和技術的保證.DIS實驗儀器具有測量范圍廣、測量精度高、操作簡便、數據分析迅速準確等特點和優點，可以達到很高的設計要求，所以更加注重對學生這方面能力的培養.在逐步開展的研究性學習中，DIS有著廣泛的應用價值.很多實驗都可以由學生自行設計、選材和完成，從而達到培養學生的自主探究能力、研究能力和創新能力的目的.

（2）對拓展、聯想、猜測能力的培養.

豐富的想象力、廣泛的聯想能力以及大膽合理的猜測能力，是物理研究和創造性人才不可缺少的思維品質.許多歷史上著名的物理學家就是通過對很多未知現象的觀察、想象、聯想，進行大膽的猜測，在此基礎上再進行深入的研究，最后才總結出規律的.所以，培養學生的拓展、聯想、猜測能力也是物理教改的方向之一.傳統實驗由于過分重視基本技能的培養，學生習慣于按部就班地做實驗.再加上實驗條件本身的限制，對學生思維的廣度、深度及靈活性的培養不夠，使學生的想象力得不到充分的發展.因此，在對學生拓展、聯想、猜測能力的培養方面，傳統實驗是有所欠缺的.

而DIS實驗獨特的數形結合功能、函數模擬功能，以及先進的測量儀器，為優化學習方式、學會學習、倡導自主探究、實踐體驗和合作交流提供了空間和時間.所謂見多識廣，學生思維的廣度和深度及靈活性自然會有所增加，從而也會拓展學生的想象空間，增強他們的聯想和猜測能力.

綜上所述，DIS實驗與傳統實驗在對學生各方面能力的培養上各有側重，在教學中若能取長補短，定會達到更好的效果.DIS實驗與傳統實驗應該同時并重，長期共存，互為補充，相輔相成，既無主次之分，更不能互相替換.它們不是推倒與重建、破和立的關系，而是繼承與發展的關系.在物理教學過程中既要提倡運用DIS，也不能忽略傳統實驗原理、實驗手段和實驗方法的學習.

1 孫元清.高中鉆研型課程導師指示手冊［M］.上海：科技教育出版社，2001.

2 陶洪.物理實驗論［M］，南寧：廣西教育出版社，1996.

3 張越，馮容士，陸伯鴻.上海市DIS物理實驗的鉆研與應用經驗匯編［J］.上海市教育委員會教學鉆研室，2011.

4 馮容士，陳開運.物理實驗創造技法和實驗鉆研［M］.上海：教育出版社，1991.

5 崔允漷.校本課程開發逐一理論與實踐［M］.北京：教育科學出版社，2000.