整合DIS與自制教具，優化物理實驗教學

吳禮晨++查漢華++楊海青??

《物理課程標準（實驗）》中內容標準共分為三大部分，第一位的就是“科學探究及物理實驗能力要求”.把物理實驗能力要求作為內容標準的一個獨立的主題，物理實驗在《物理課程標準（實驗）》中的地位是顯而易見的.物理實驗在學習認知、體現科學觀念及科學方法論等方面均能發揮重要作用，基于此《物理課程標準（實驗）》大力提倡發揮實驗在物理教學中的重要作用.課標建議“盡可能讓學生嘗試用計算機處理數據，學會用通用軟件來簡單處理實驗數據”同時“還提倡用身邊常見的生活器具來做物理實驗”.《基礎教育課程改革綱要（試行）》明確要求：積極開發并合理利用校內外各種課程資源，教育部在《關于新形勢下進一步做好普通中小學裝備工作的意見》明確提出鼓勵教師自制教具.基于這些文件的理念指導和強烈建議，結合對物理實際教學存在的問題分析，發揮教師立德樹人的熱情及創造力，在整合自制教具的課程資源與DIS數字信息系統的現代信息技術，定量化收集實驗數據、快捷化處理實驗數據，可視化顯示物理規律上做了一些嘗試.現代信息技術與自制教具資源的有機整合，優化了實驗教學手段，開闊了學生視野，拓展了學生思維.

1顯性化研究物理現象——超重失重現象1.1實驗探究的必要性

超重與失重是高中物理中具有典型性與代表性問題之一，但是教材及老師的課堂處理，使學生在學習上沒有經歷情境探究，知識構建的過程，因此在教學效果上學生對于超重與失重的物理本質內涵存在很多困惑.《物理課程標準（實驗）》對此有明確要求：通過實驗認識超重與失重.依據超重失重的物理現象的特點，高中學生的認知心理規律及課程標準的理念要求，我們嘗試整合DIS系統與自制教具進行實驗探究教學.

1.2實驗探究

實驗器材 DIS系統軟件，計算機，無線力傳感器，無線加速度傳感器，數據采集器及無線接口，自制教具模擬電梯如圖1等.

實驗操作

（1）按圖3示組裝實驗裝置，打開DISLab7.2軟件，開啟無線加速度、力傳感器開關；

（2）點擊軟件加速度傳感器端口按鈕，在加速度實時采集欄中選擇Z維度并調零.再選擇軟件力傳感器端口按鈕并調零.點擊計算表格按鈕，將采集間隔調整為0.2 s.

（3）在力傳感器下掛上2N砝碼，點擊自動記錄開始按鈕，并同時將模擬電梯從最低端靜止釋放.在模擬電梯完成2-3個周期后，用手停止其運動.

（4）點擊繪圖按鈕，分別作出F-t、a-t圖象.（為區別可采取不同顏色標注）

實驗結果獲得數據如圖4，通過繪圖得到圖像如圖5，其中F-t（圖線1）、a-t（圖線2）

實驗結論加速度向上，物體處于超重狀態.加速度向下，物體處于失重狀態.

注意事項實驗前“電梯”需要調整裝置水平狀態，確保“電梯”在于豎直平面內做一維運動，盡量減小“電梯”與鋼柱間的摩擦.調整彈簧上端懸線長度，挑選自制教具中三個彈簧的勁度系數，盡量模擬真實的電梯運行，提高實驗的與生活情境的真實接近性，同時，做好運動時的上下緩沖，調節“電梯”振幅，使物理圖像可視化較好.DIS系統軟件在數據采集時.數據采集時間間隔時間間隔設置為0.2 s為宜.

2定量建構物理概念——磁感應強度B概念

2.1實驗探究的必要性

磁感應強度是電磁學的基本概念，也是核心概念之一，它對于“磁場”及其后續知識的學習，都有著關鍵性的作用.教材通過與電場強度的類比，以比值定義的方法給出了磁感應強度的概念.事實上，學生在學習認知上還是存在很大的困難，對于尋找如何描述磁場強弱和方向的物理量依然存在很多困惑.所以有必要通過實驗探究的教學方式進行教學，增強教學的說服力，培養學生的問題意識和證據意識，提升實驗探究能力.

2.2實驗探究

實驗器材DIS系統軟件，計算機，力傳感器，多抽頭自制線圈（如圖6），間距可調的自制磁體（如圖7），滑動變阻器，學生電源，電鍵，數據連接線及導

線等.

實驗操作

（1）按如圖8方式組裝實驗裝置，連接導線和數據線，調試DIS配套軟件，

（2）閉合開關，采集數據開始，移動滑動變阻器，改變電流I大小，繼續收集數據，斷開開關，采集數據結束，如圖9.

（3）DIS系統軟件以安培力F為縱軸y，電流I為橫軸x（通電導線的長度取250匝）作圖，線性擬合，如圖9.

（4）保持0匝鱷魚夾接線柱、學生電源電壓，滑動變阻器滑片位置等不變，將另一鱷魚夾依次與50匝、100匝、150匝、200匝、250匝、300匝，DIS系統軟件逐個收集數據.

（5）DIS系統軟件以安培力F為縱軸y，通電導線的長度（匝數）為橫軸x作圖，線性擬合.最后引導學生觀察分析，建構磁感應強度B的概念.

實驗結果獲得的實驗數據如圖9，DIS系統軟件作圖線性擬合的物理圖像如圖10（此圖9、圖10為在2015年安徽省中小學實驗說課比賽活動中現場的實驗數據和圖像）.

實驗結論磁場中通電導線受力F與電流I和長度L的乘積IL成正比.

注意事項多抽頭自制線圈如圖6選用的漆包線直徑不宜過大，抽頭處電焊焊接不能是虛焊，繞制完成后要用棉線將線圈扎牢固，防止通電時導線排斥，影響平衡.線圈受力的一邊實驗前要調制平直，實驗時放置在間距可調磁體如圖7的平口出切與磁體平行.DIS系統軟件采集數據時的采集頻率設置成20 Hz，不宜過高.

在可視化建立物理規律上，譬如自制實驗教具資源與DIS中光電門的整合，可視化建立機械能守恒定律；自制多匝線圈資源與DIS微電流傳感器的整合，可視化建立法拉第電磁感應定律等也可以有一些富有創意和效果優秀的教學嘗試.

3實驗評價及教學主張

DIS數字信息系統使實驗數據收集快捷化，圖像繪制擬合使物理規律顯性化、直觀化，有利于建構物理觀念和培養提高實驗探究能力.實驗模擬生活中電梯這一工具，使物理教學更加親切可感；自制多匝抽頭的線圈使疊加原理和微小量放大的實驗思想更易于理解，有利于培養物理科學思維.DIS數字信息系統的實際課堂使用，尤其是最先進的器材——無線傳感器和最新版本的配套軟件，是物理教學更具時代性；實驗資源的自創，體現出教學的創造性，有利于培養學生的新時代創新精神和實驗探究能力，培養時代意識與責任.因此，DIS數字信息系統與自制實驗教具深度整合做定量實驗，用多種方式收集數據，優化實驗教學效果，有利于培養、提高學生的物理學科核心素養.

研究新課程理念，深入體會物理學科核心素養四個維度的深刻內涵，研究物理學科特征與學生心理認知規律，并以此為指導.在日常物理教學中開發更多更有效的實驗教學資源，引進更具時代性的教學技術手段和多媒體技術，通過多元整合，優化物理實驗教學，為提高物理教學效果和提升學生物理學科核心素養而上下求索.