D I S系統在物理演示實驗中的作用

佟 蕾

（渤海大學 數理學院，遼寧 錦州 121000）

隨著信息技術的不斷發展，一種以計算機、傳感器和數字采集器為主的DIS（Digital Information System）數字化信息系統正在逐步走進中學物理課堂，服務于課堂教學。DIS系統是利用電腦做終端，通過連接數據采集儀、傳感器和傳統儀器共同完成物理量的測量，觀察物理現象，探索物理規律，是新一代智能化實驗教學儀器，其工作原理如圖1。與傳統的實驗儀器相比較，它有很多優勢，例如測量精度高，處理速度快，數據精準豐富，圖像形象生動，不僅節省了大量的課堂教學時間，還可以拓展課外實驗，激發了學生對物理實驗的興趣和創新意識。[1,2]DIS系統可以說是信息技術與物理實驗的完美結合。本文就幾個演示實驗的案例來介紹DIS系統在物理演示實驗中的作用。

圖1 DIS系統工作原理圖

1 動態實驗過程，深入理解概念

DIS系統不僅可以完成所有傳統實驗內容，而且實驗過程更為簡便、直觀，特別是其動態的展示實驗過程，即時輸出實驗數據，學生可以觀察所得圖像，分析圖像特征，總結物理規律，能幫助學生更好的理解物理概念和物理規律。

如傳統演示實驗中驗證牛頓第三定律，通常選兩只彈簧測力計，然后互相對拉，看兩個測力計的示數是否相同。在實驗過程中學生無法同時觀看兩個側力計的讀數，這樣就給實驗帶來了偶然誤差，同時傳統實驗無法展示作用力和反作用力的動態變化關系。而利用DIS系統的力傳感器，設置兩個通道，用正負表示方向，可以形象的表現出作用力和反作用力的動態變化關系，如圖2。

圖2 作用力和反作用力圖像

2 實驗數據精準，處理方式多樣

DIS系統中的傳感器包括力、運動、電流、電壓、壓強、溫度、聲、磁等十多種，可測量的物理量十分豐富。除了傳統儀器可以測量的力、電等物理量，還有一些是傳統儀器無法測量的，如聲波、磁場等。同時實驗數據采集系統所使用的傳感器分辨率高，而且有多個量程，如溫度傳感器的分辨率為 0.01°C，量程-50°C～+250°C；雙量程電壓傳感器分辨率為1mV/0.01V，量程-1.5V～+1.5V/-15V～+15V等。采集周期最短為 20μs，頻率達到 104Hz。

在數據顯示方面，在計算機上對于連續采集的數據有圖像、表頭或數據三種不同的數據顯示方式；同時可以對生成的曲線擬合公式，用于數據分析。

如用DIS系統研究通電螺線管內部的磁場。將磁傳感器置于通電螺線管的一端，然后沿軸線方向勻速進入，得到其內部磁感應強度隨時間變化的圖像（圖3）。通過圖像可以得出以下結論：(1)螺線管內部磁場是呈對稱分布，中間部分磁場最強，兩端磁場較弱；(2)螺線管中間部分可以近似為勻強磁場。

圖3 B-t圖像

圖4 B-I圖像

3 節約操作時間，利于深入討論

DIS系統操作簡單，只要對該系統進行簡單的了解，從實驗操作到軟件操作，都很容易完成。在實驗過程中可以對實驗數據實時采集、處理、繪圖、存儲以及打印過程。下表列舉了幾種常見的物理演示實驗用兩種不同方法在數據處理時間上的比較，DIS實驗的時間包含了曲線擬合函數和公式運算的時間。

表1 傳統實驗和DIS實驗數據處理時間對比

以上數據表明，利用DIS系統處理數據可以比傳統實驗節省70%以上的時間，同時減少實驗的偶然誤差。利用DIS系統演示實驗，一方面使得一些實驗周期較長，不適合作為演示實驗的題目順利進入課堂教學，另一方面節省的時間留給師生對實驗結果以及相關問題進行深入的交流和討論，可以有更多的時間開展探究式教學。

4 激發學生興趣，培養創新意識

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。[3]傳統實驗教學過程是教師的講解和學生的重復，內容毫無新意，同時經典物理內容與現代高端的科技手段相脫節，無法吸引學生興趣。

與傳統實驗相比，DIS實驗則更加側重于培養學生的自主探究的能力以及創新意識。利用DIS系統，設計新穎的實驗，與實際生活聯系，可以讓學生在實驗中獲得成就感，產生進一步探究的興趣。[4]例如，用長導線與微電流傳感器相連，使導線位于東西方向在空中搖動導線，計算機顯示出導線中通有交流電，這正是由于導線切割磁感線而產生的感應電流。實驗中將看不見的地磁場的磁感應線通過計算機數據展現出來，體現了現代信息技術的高能力。通過看到這個現象還可以讓學生進一步改變導線的方向，通過不同的結論得到地磁場的確切方向，然后深入到理論的學習。

從以上實例中可以看出，在物理演示實驗教學過程中加入新型的DIS數字化信息系統，既充分發揮了現代技術對于物理教學中的作用，還有利于激發學生的學習興趣，培養動手能力和操作意識，可以縮短我國與先進國家實驗教學儀器上和教育理念上的差距，復合我國實驗教學改革方向。

［1］文林，李會.基于 DIS 的超重失重實驗研究[J].科技信息，2013(21)：47-48.

［2］王勁存，仲扣莊.用DIS探究影響滑動摩擦力的因素[J].物理實驗，2010，30(5):25-26.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中·物理課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003，56.

［4］楊利平，淺談DIS實驗系統的應用與學生創造性思維能力培養[J].現代物理知識，2010，22(6)：40-42.