數字化實驗（DIS）在初中力學實驗教學中的設計與思考

王婷婷

【內容摘要】數字化實驗已經悄然走進初中各科教學中，它有利于打造信息技術與物理教學整合的新型教學模式，它所提供的大數據更有效地展示現象、揭示規律，能高效提升學生的實驗與科學思維能力。從2015年開始，我們在初中物理力學實驗教學中首先引入數字化實驗，并對一些好的、典型的設計進行了總結與反思。

【關鍵詞】數字化實驗? 初中物理? 力學? 設計? 思考

數字化實驗已經悄然走進初中各科教學中，它有利于打造信息技術與物理教學整合的新型教學模式，它所提供的大數據更有效地展示現象、揭示規律，能高效提升學生的實驗與科學思維能力。數字化實驗（DIS）進入初中物理課堂令師生在有限之時間內得到并處理海量數據成為可能，從2015年開始，我們在初中物理力學實驗教學中首先引入數字化實驗，并對一些好的、典型的設計進行了總結與反思。

一、數字化實驗（DIS）設備概述

1.傳感器：這是數字化實驗系統的關鍵元件，它將我們研究的物理量轉化成電信號，再將電信號轉移到數據采集器及計算機平臺。初中力學教學中常用的傳感器包括力傳感器、位移傳感器、光傳感器、聲傳感器等。

2.數據采集器：是傳感器與計算機之間的轉換器。

3.配套實驗儀器：進行物理實驗探究的儀器，如導軌、小車、燈泡等。

4.計算機及軟件：處理實驗數據并將物理規律以數學方式圖表和圖象展示在顯示屏上。

傳統實驗由于課堂時間和處理速度限制，往往不夠快速，數據也不夠全面，得出的規律具有一定局限性。而數字化實驗打破了這種局限，使得數據的處理更加直觀、更加科學、更加規范。

二、數字化（DIS）力學實驗舉例

1.探究重力大小與質量的關系

重力與其質量的關系是初中物理力學中常用關系，如何引導學生實驗并分析、處理數據，從而對這一關系深刻理解？

我們在實驗中首先將力傳感器接入數據采集器，用轉接器將傳感器固定在鐵架臺上，使其測鉤豎直向下，對傳感器調零;再用天平稱出各鉤碼的質量;依次增加鉤碼數量，記錄一組數據;點擊“公式”，輸入自定義公式“K=F1/m”，得到計算結果基本為一常數;點擊“繪圖”，設定x軸為“m”，y軸為“F1”。數據點的排列呈現明顯的線性特征。點擊“線性擬合”，得到一條過原點的擬合圖線。

從圖像上可以直觀得出結論：重力的大小與質量成正比，還可以通過各地學生做實驗得到不同的圖象來引導學生分析比值在不同地點是不同的。

2.探究相互作用力的規律。

如何讓學生生成相互作用力的特點并形成深刻的印象？利用數字化實驗可以很好地解決這一問題。

實驗過程：將兩只力傳感器接入數據采集器;啟動“組合圖線”功能;兩手各持一只力傳感器，讓兩傳感器的測鉤互相鉤住，兩手用力拉或壓，得兩條“力-時間”組合顯示圖線。觀察發現兩條圖線基本重合，表示兩力大小相等;選中其中一條圖線，點擊“設置”，設為“鏡像顯示”，對兩個力的方向加以區別;實驗中可以故意讓兩傳感器手柄不平行，讓學生觀察得到的圖象，發現其不同并分析其原因;在實驗中，我們還取下測鉤，設法在鎖緊螺栓上固定上強力磁鐵，重復實驗，觀察磁力是否符合同樣規律;通過實驗證明了相互作用力的大小、方向等關系。

3.研究勻速直線運動的規律

勻速直線運動規律是運動規律的基礎，通過學生間的相互配合、分工協作和對實驗現象的分析處理，可以培養團結互助的合作精神和實事求是的科學態度，并且教學過程中重視物理圖像的教學，可以進一步訓練他們運用、分析物理圖線的技能。我們需要的器材：小車、軌道、發射器、接收器、數據采集器等。

實驗過程：將傳感器接收器接入數據采集器，并固定在力學軌道的一端，將小車與發射器固定，調節軌道在合適的高度，使得小車能夠做近似勻速直線運動，并調整好接收器和發射器的位置，讓小車從較高一端滑下，從顯示器中得出“s-t”圖像，從圖像中我們可以看出小車是否做勻速直線運動，如果出現曲線則表明小車未做勻速直線運動，再來調整軌道的高度，最終得出有效區域是s-t圖像與擬合圖像重合，即表明小車在做勻速直線運動的路程與時間成正比函數變化。從圖像中也可以計算出小車運動的速度。

三、數字化（DIS）實驗實踐中的思考

1.要樹立DIS實驗新觀念，深刻理解信息技術滲透物理教學的內涵

在初中物理教學中，實驗是基本教學方法，所有物理規律都建立在相應的實驗基礎上。在物理教學中通過DIS新技術運用，可以增加發現兒童的機會，激發學生學習興趣，實現個性化學習、泛在學習。通過數字化技術輔助實現初中物理實驗，直觀鮮明呈現實驗現象，及時反饋實驗數據，適時、多次、多樣化地深度研究實驗數據，規避了物理實驗數據獲取過程中的低效、很多實驗只能定性分析、結論片面甚至失真等長期存在的問題，學生更側重發現問題、解決問題、分析問題，強化敏銳數據意識、科學思維品質等方面的訓練。從而全面提升學生科學思維，培養未來的數據分析師，培養有創新精神的人才。

例如在《重力與質量的關系》一課探究中，同學們從測量出的數據上、圖象上、對比中更快速地領會到了二者之間的規律，信息技術滲透物理課堂帶來的好處不言而喻，這就是大數據分析給物理高效課堂帶來的高度可能性。

2.要提高物理教師實驗教學能力，更好地適應現代化物理教學

傳統物理實驗歸納普遍性規律時，僅用3組以上的數據，讓學生耗費寶貴的探究時間去描點、分析，勉強得出“普遍規律”，實質上局部的規律;數字化實驗（簡稱DIS）是以計算機為平臺，利用軟件分析處理，以坐標圖、數據表等多種形式實時顯示在屏幕上，具有可視性、直觀性、拓展性等特點。

在DIS實驗中，傳感器傳遞信號，得到的圖像顯示出來，看上去很簡單。但是要求教師要設計好實驗、適當引領學生認識、挖掘圖象的含義，同時提高了教師的物理實驗教學能力。

《摩擦力》數字化實驗教學前，我們多次在不同粗糙程度的接觸面上做實驗并比較，確定接觸面材料采用報紙和毛玻璃。實驗班級上過后，教師們的驚奇和贊嘆表露無疑，各班都用此裝置上了一下，效果非常好，不僅完成了教學任務，還激發了學習探究實驗的興趣，同時也提高了實驗教學的效率。

3.要實現物理實驗探究常態化，注重科學方法教育和科學思維培養

初中學生的邏輯思維、抽象思維、創新思維等都在發展關鍵期，初中物理與數學方法結合是發展學生思維的重要平臺，利用幾組數據，靠學生手繪尋找規律的過程不僅耗費時間，還降低了學生的學習效率，也與時代的發展不相適應。大數據視角下，采用數字化物理實驗有利于培養學生在物理實驗中挖掘數據、高效利用數據的意識，并且激活初中學生科學思維發展。新課程理念之一是“注重科學探究，提倡學習方式多樣化”。從《相互作用力》一節教學的分析可以看到，物理概念的建立，物理規律的生成過程通過實驗演示的效果是多么顯著，可以說“印象深刻、事半功倍”。例如相互作用力的規律一下是以人們的直觀感覺為基礎建立起來的，而傳感器的應用則讓學生有了更直觀、更明確、更真實的認識方式，身臨其境、無須多加解釋。學生會逐漸養成在實驗探究中從“現象——實驗——數據”的科學探究習慣。

4.要推動教師腳踏實地研究DIS實驗，不斷尋求更優化的實驗設計

傳感器引入物理教學，更利于教師主導地位的體現。比如在傳統實驗中可規避的一些與知識不符合的數據，在數字化實驗中都可能出現的處理方法;再如由于傳感器的應用而導致傳統測量工具的使用教學問題等。

我們首先要進行研討，再學習新儀器、新手段的應用。使用新的實驗方案不是對原有實驗方案的全盤否定，而是促進實驗效果進一步提升。

數字化實驗方案設計要能夠更好地培養學生的合作意識和創造能力，實驗的設計要能夠使學生易于接受，利用數字化實驗的優勢更好地推動學生學習。我們應該注重引導，循序漸進，適時、精準地進行講解、說明。

從上述的實踐與思考中，我們可以看到：大數據時代的需要和學生素質發展的需要促使我們要及早研究并使用數字化實驗，這樣才能在課堂有限的時間和時間里實現最大化的教學效果。這需要我們不斷地學習、研討、實踐、總結、提高，才能一步一步達到打造信息技術與物理教學整合的新型教學模式，利用數字化實驗所提供的大數據更有效地展示現象、揭示規律，高效提升學生的實驗與科學思維能力的目標。

【參考資料】

[1] 郅庭瑾. 教會學生思維[M]. 教育科學出版社，2001.

[2] 張植卿. 大數據對教育領域產生的革命性影響[J]. 經濟研究導刊，2014（05）.

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