基于DISLab的高中物理實驗教學實踐與研究

唐波 翁驊

摘要： 數字信息系統實驗室（DISLab）被用到物理教學后，存在兩種不同的觀點，一種是無用論，即認為該系統會使學生忽視數據采集、處理的一些基本功，過分依賴于計算機技術而無法真正提高實驗能力;另一種是萬能論，即認為可以用DISLab系統完全替代傳統實驗。本文通過該系統運用的實踐，闡述了傳統實驗與DISLab創新實驗的關系，并努力探尋在物理教學中應用DISLab系統提高教學效果的方式。

關鍵詞： DISLab;實驗教學;實驗能力

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：A ? ?論文編號：1674-2117（2015）06-0039-03

● 高中物理實驗教學的現狀

《普通高中物理課程標準（實驗）》中指出：“高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神。”[1]

物理學是一門實驗科學，學生對物理規律、定律的學習，離不開實驗，但實際實驗教學與《標準》尚有很大的差距。國家教委教學儀器研究所曾歷時四年，對全國十個省市學生的動手實驗能力進行調查，結論是：高中學生理、化、生實驗不及格，我國中小學生不能手腦并用。[2]有數據表明，高考物理實驗得分情況不盡如人意，具體表現為學生的實驗得分較低，特別是探究性實驗設計得分更低。例如，2012年浙江高考理綜21題，“測玻璃的折射率”實驗，據統計，不除零平均分4.5，難度0.45，其中得0分的占17%，得3分的占17%。

究其原因，主要是實驗教學脫離生活實際，實驗內容范圍較窄，實驗形式缺乏探究性，實驗教學流于形式，評價方式單一等。另外由于實驗條件的限制，某些實驗存在著以定性研究為主，無法開展定量研究的局限性。

● DISLab對物理實驗教學的影響

DISLab是英文Digital Information System Laboratoryd的縮寫，意為“數字化信息系統實驗室”。它是利用多媒體信息技術輔助實驗教學的軟硬件一體化的教學實驗系統。利用傳感器將實驗裝置與計算機連接后，傳感器進行數據采集，并通過模擬到數字（A/D）轉換輸入計算機，由計算機通過相應軟件將探測到的信息轉化為相應物理量的類型和數值。具有過程“可視化”、物理量采集迅速準確、數據處理能力強大的特點。

運用該設備進行物理現象的觀察、物理原理的探索，可以完成一些常規儀器難以完成的實驗，有利于學生在實踐環節中掌握知識，是一套集物理測量、自動控制、數據記錄、智能化數據分析于一體的綜合性物理實驗平臺。[3]

● DISLab在物理實驗教學中的實踐

1.實踐案例

人教版物理必修1第四章第二節《探究加速度與力、質量的關系》，是新教材實驗思想的典型體現。以下為筆者設計的案例的部分內容。

（1）實驗設計

①整體策略。

提出問題：加速度與物體質量和受力都有關系，要想探究三個物理量之間的關系，用什么方法？

考慮控制變量法：如m一定，探究F與a的關系;如F一定，探究m與a的關系。

②關鍵突破。

提出問題：質量、力與加速度分別如何測量？

思考：質量——天平，

恒力—— ?？

加速度—— ?？

為了解決恒力如何獲得的問題，實驗者可以用重物（砝碼盤及砝碼）提供拉力，拉力的大小近似等于重物的重力。同時思考：小車除受到拉力外還受哪些力？怎樣才可以認為拉力就是小車受的合力？此時可以傾斜軌道，使小車重力沿軌道的分力平衡摩擦力。

在解決加速度如何測量（比較）的問題時，教師可以給出提示：由勻變速直線運動的規律公式出發。

③方案選擇與設計。

實驗器材：滑塊、配重塊、氣墊導軌、DISLab光電門傳感器、數據采集器、計算機、細線、砝碼、砝碼桶、天平等器材（如圖1）。

實驗原理：a。

實驗優點：本實驗的優點是精度高，集數據測量、采集、處理為一體。

（2）實驗探究——數據分析與論證

◇加速度與力的關系，見表1。

問題1：看到這些數據，你能快速得出a與F的關系嗎？

問題2：用什么方法可以使物理量之間的關系更直觀？

參考：以a為縱軸，F為橫軸作圖（如圖2）。

問題3：看到這樣的圖線能想到了a與F的關系是什么嗎？

參考：a∝F。

問題4：為什么直線沒有恰好過原點？

參考：平衡阻力略過度。

◇加速度與質量的關系，見表2。

以a為縱軸，m為橫軸作圖（如圖3）。

問題5：看圖后，你認為a與m成反比嗎？若不確定，該如何處理？參考表3中計算出的數值。

參考：以a為縱軸，1/m為橫軸作圖（如下頁圖4）。

問題：現在你能證明a與m成反比嗎？如果還是曲線又該如何？

（3）結論

當m一定，a=∝F，當F一定，a∝1/m。但要成為“定律”，只有根據這些結論推導出的很多新結果都與事實一致才行。科學前輩們宣布某個定律時，既需要謹慎，也需要勇氣。

2.案例評析

中學物理教學中大部分科學探究都是通過實驗來進行的。實驗的選用與設計都必須從教學目的出發。實驗演示力求儀器簡短、過程明了，突出物理原理，排除非本質因素的干擾，盡可能直觀，少轉彎抹角。[4]本案例中，重點放在實驗方案的設計及結論上，利用DISLab系統的高效精確的特點，直接進行數據的采集和分析，可以直觀反映加速度與力及質量的關系。同時在教學過程中，滲透物理思想的教育，如列表法和作圖法的比較，化曲為直的重要思想等，收效很好。

● 結語

綜上所述，DISLab的優點是精確、高效、可視化，解放了學生花大量的時間去采集和處理數據，使學生可以更加重視實驗原理和實驗方案的設計。但它也有局限性，尤其是傳統實驗中基本儀器的讀數、操作及數據處理的方法等基本實驗能力，是無法完全替代的。如果對儀器的工作原理一無所知，就會使學生有“黑箱”的感覺，這對學生的認知是不利的，而DISLab在這方面的弱點顯得尤為突出，應引起教師的重視。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京人民教育出版社，2003.

[2]張東.高中物理實驗現狀與出路初探[J].中學生數理化（學研版），2011（05）.

[3]馮容士.工具的變遷，課改的理念──DISLab綜述[J].物理教學，2004（9）.

[4]李新鄉，張軍朋.物理教學論（第二版）[M].北京科學出版社，2009（9）.