利用DIS實現對中學物理力學實驗的改進

黃惠娟

摘 要：DIS作為一種現代教育技術被引入物理實驗教學，旨在提高學生自主探究的能力和學習興趣，培養學生的實驗素養，促進課堂教學模式多元化和學生學習方式的變革，本文主要是對DIS在中學物理力學實驗中的應用進行研究。

關鍵詞：DIS；力學實驗；教學

目前在中學物理力學實驗教學方面，我們仍然是采用比較傳統的實驗手段，即教師提供給學生相應的實驗器材，學生自己動手進行實驗，或者是課堂的演示實驗，還有就是利用一些視頻、flash文件等視頻資源課堂播放[1 ]。 然而利用DIS它能夠較精確地采集數據，比較直觀地進行繪圖。作為一種現代教育技術被引入我們的物理實驗教學， 有助于促進實驗教學模式的多元化。具備先進的教育理念以及掌握先進的教育技術和方法，對于現在的中學老師來說是十分必要的，因此本文主要是對DIS在中學物理力學實驗中的應用進行研究。

1 DIS發展現狀

DIS在普通中學中用到的比較少，并且大部分時候是用在公開課的演示實驗，所以學生能夠接觸的機會很少，沒有充分挖掘出DIS的技術優點。

即使DIS具有其先進性和優越性，但是鑒于在大部分中學中儀器的缺乏和普及速度的緩慢，DIS還是無法在福州的中學物理實驗教學領域中得到廣泛應用。在配備有儀器的中學，DIS的優勢也并沒有得到充分的發揮，例如學校主要是將這套儀器用于開展學校的校本課程，讓有興趣的同學自行設計實驗進行研究；另外個別教師會將DIS系統用于教學實驗演示，直接讓學生可以看到直觀的數據圖象，得到物理結論。對于絕大部分學生來說，只是在上課看見過老師用這套儀器進行實驗演示，也只聽到老師在演示實驗前簡單介紹一下這是利用傳感器設計的先進的實驗儀器，但是對于這套DIS實驗系統具體是怎么回事，什么原理等還是一無所知，所以除了參加校本課程培訓的少部分同學以外，大部分同學還是沒有更多機會能夠自己動手利用DIS來進行物理實驗的操作，無法感受先進的儀器給我們物理學習帶來的便利和幫助。

2 DIS在中學力學實驗教學中的應用

物理必修2《向心力》一節內容常常被作為公開課來教學，對于這節課，我也開了一堂用DIS進行實驗探究的公開課，下面我簡介一下這節課DIS的應用。

實驗儀器采用DIS實驗裝置以及圖1所示的向心力實驗器，當轉軸轉動起來以后，通過兩個通道的傳感器分別能夠感應出某一時刻物體所受向心力F1的大小及轉軸上的立柱通過光電門所用的時間t2，這時提問學生：我們還需要哪些物理量來進行實驗？要怎么得到這些物理量？引導學生回答可以根據光電門的寬度能夠得出物體的線速度v，通過物體的轉動半徑計算得角速度w，再在計算表格中加入計算角速度平方的公式q=w2；或者學生認為研究線速度v和向心力的關系作為實驗方案，教師也可以表示贊同。然后讓學生根據方案添加物理量，進行實驗提取數據。當學生把轉軸快速轉動直到轉軸停下的過程中，上面的這5個變量就會呈現出一組數據，如圖2所示。

此時可讓學生猜想：根據這些數據我們怎么來研究向心力F1到底跟那些因素有關？引導學生通過圖像來研究。此時讓DIS選取X軸為w，Y軸為F1進行繪圖，這個時候會發現數據點分布具有拋物線特征，將數據點進行二次多項式擬合，會發現數據點與擬合線基本重合，如圖3所示，這個時候可以提出猜想認為向心力F和角速度w之間是二次方關系。再讓學生提出別的方法來驗證，學生會提出做角速度平方項q和F1的曲線。那么通過相同辦法進行繪圖后發現q和F1呈線形關系，并且圖線過原點，如圖4所示，從而驗證了之前的猜想，那么得到向心力與角速度的平方成正比的這樣一個結論。

接下來可以在不改變其他條件的情況下，改變物體轉動的半徑，再次轉動轉軸取得數據，用w和F進繪圖可以得到圖5的結果，其中曲線所代表的半徑從上到下依次為0.12m、0.09m、0.06m，那么根據圖線就得到在其他變量保持一樣的情況下，半徑越大向心力越大的結論；更換不同質量的物體，用同樣的方法取得數據繪圖得到圖6的圖線，其中上下曲線所代表的物體質量分別為0.028kg和0.014kg，得到其他變量保持一樣時，質量越大向心力越大的結論。根據以上實驗可以認為物體在做圓周運動的時候所受向心力跟物體的角速度的平方、半徑、質量有關，并且都是成正比的關系，那么有式子F=kmw2R，此時存在一個比例系數k，那么如果我們能求得k的值是多少就能夠得出上述幾個變量和向心力之間的具體關系了。此時讓學生回答怎么來求得k的大小，學生回答用F2和kmw2R的值來對比。那么根據這兩組數據，從上面圖2的數據圖可以看出比例系數k的平均值大致為1，那么向心力公式F=kmw2R就探究出來了。

3 利用DIS對中學物理力學實驗進行改進的具體措施

以往在向心力實驗案例的該節教學中，基本都是利用傳統的向心力演示儀來進行這部分內容的授課，讓學生觀看當手搖柄帶動轉軸快速轉動的時候，固定物體的質量和半徑，那么物體轉動速度越快，拉著物體的彈簧就拉伸的越長，從而得到速度越快，向心力越大的定性演示。但是實驗中隨著向心力變大彈簧拉伸，半徑也同時被改變了，所以并不能夠很好地說明問題，而且如果要演示物體的半徑或者質量對向心力的影響，實驗效果就不是很明顯并且不夠直觀。

通過上面的案例，我們知道，如果用DIS來進行實驗操作：（1）能夠定量地、直觀地表現出向心力和幾個變量之間的關系，而且還能夠更深入實驗的本質引導學生進行探究。例如實驗不僅可以呈現角速度w和向心力F之間的關系，還可以呈現角速度平方項q和F之間的關系。（2）引導學生對比例系數k的計算，是本節實驗探究的亮點。以往我們在進行此類物理規律教學的時候，總是直接告訴學生得出了變量間的關系就可以直接得出表達公式，但是學生會有疑問，這只是說明這些變量間有關系，為什么就能肯定沒有其他變量對向心力有影響了呢？這對于學生對定理的深入理解有一定的阻礙，利用DIS就很好地解決了這個問題。并且也通過實驗過程讓學生理解并掌握正確的物理研究方法和步驟，更好地體現了探究的意義。通過對比，不難看出利用傳統的向心力演示儀，如果要做出以上這些實驗步驟應該是相當困難的。可以說在此類探究變量間物理規律的實驗中，利用DIS測量更靈敏，處理數據更方便，不僅是實驗效果明顯，同時在教學過程中潛移默化地淡化數學過程，更加注重生活經驗及突出物理方法。

雖然DIS幾乎可以涵蓋初中、高中所有力學實驗，但

是在個別章節的利用上還是有不足，會有過程相對復雜或者不如傳統實驗手段效果來得直觀，并且如果將實驗教學完全依賴于DIS也會造成學生實驗動手能力和提取并數據處理數據的能力下降。因此本人認為，在現階段還是應該以傳統實驗手段為主，DIS進行輔助教學。具體來說就是：（1）對于比較簡單的基礎性力學實驗，例如滑動摩擦力的研究、重力大小的研究、力的合成與分解、牛頓第三定律實驗等過程相對簡單，現象較為明顯的實驗，利用普通儀器就可以很容易地做到，借助DIS反而會使實驗過程復雜。（2） 有個別力學實驗的實驗精度對實驗結果有很大的影響 [2 ]，比如靜摩擦力實驗，利用傳統的儀器想要看到靜摩擦力變成動摩擦力的那一瞬間示數變化是有些困難的，那么此時，就可以把DIS結合到傳統的實驗手段中進行演示教學，利用DIS提取數據并且把要觀察的現象利用圖線直觀地呈現出來。這更是體現了中學物理中數學過程簡化而更突出物理方法。

因此對于DIS在中學物理力學實驗教學方面的應用，總歸為一句話，不可全用，也不可不用，把它當作一種輔助手段來配合傳統的實驗手段進行教學，根據所授課程的實驗要求側重點適當地分配利用程度的比重，才能夠把DIS的優勢發揮到極致，為我們的物理實驗教學錦上添花。

參考文獻：

[1]張建平.現代教育技術——理論與應用[M].北京：高等教育出版社，2006：37.

[2]張溶菁.探索DIS實驗教學推進物理課改[J].物理教學，2007，29（3）：16-19.