智能終端設備DIS系統在高中物理實驗教學中的應用

摘 要：通過多次的外出交流真切感受到目前DIS系統，計算機技術與物理實驗教學做到了真正的結合，利用該技術可以實現一般實驗室不能完成的實驗。本文以實際教學為例，對DIS系統的使用做了說明，希望能豐富老師的教學經驗，增長學生的見識。

關鍵詞：智能終端DIS系統;傳感器;物理實驗;傳統;突破;拓展

物理是一門以實驗為基礎的研究物質結構及運動規律的自然科學。它的基本理論滲透在自然科學的許多領域，應用于生產技術的各個部門，它是一切自然科學和工程技術的基礎。

中學物理實驗，根據實驗的性質可劃分為驗證性實驗、應用性實驗和探索性實驗。現階段物理教材中的實驗通常分為學生分組實驗、演示實驗、模擬實驗。第一類，學生分組實驗所使用的器材比較容易實現，數據容易直接測量，在教材中的地位較高，直接訓練學生的動手能力。

雖然近年來計算機在傳統物理實驗教學中起到了很大的作用，但大多數是模擬作用，而非真正參與實驗。傳統的計算機輔助模擬給教學帶來方便的同時，可能滋生了部分教師的惰性，一些可以進行課堂演示的實驗變成了電腦中的動畫模擬，違背了物理是一門以實驗為基礎學科的精神，對學生造成了一些負面的影響。如何做到真正將電腦應用到物理實驗教學中去呢？如今電子技術已經發展得非常成熟，我們生活中到處都能感受到電子產品給我們帶來的便利，我們的物理實驗教學也同樣可以應用它來加強效果，因此很多學校配備了數字化實驗室，也就是智能終端設備DIS（Digital Information System）。

“DIS”是英文“Digital Information System”的縮寫。在物理學中有很多物理量，如距離、位移、力、速度、溫度、壓強、電壓、電流、磁場、光強等，都可以用DIS進行測量。DIS基本結構：傳感器，數據采集器，計算機。傳感器：可以測量力，位移，溫度，光，電壓，電流等各種物理量，并將物理量轉化成相應的電信號。數據采集器：將傳感器采集到的各種電信號進行處理后輸入計算機。計算機：將數據采集器輸入的信號（實驗數據），通過主機或者計算機應用軟件進行分析處理，并以多種表現形式實時顯示在計算機的屏幕上。

DIS系統的出現，讓計算機真正地參與到物理實驗中去。本文主要講述DIS系統對傳統物理實驗的輔助應用，如何解決之前無法用傳統實驗解決的一些實驗問題。一些發達城市比如上海等地中學物理課程標準明確提出：物理課程必須與信息技術整合，構筑信息技術平臺，建立數字化信息系統實驗室，這樣才能使物理課程符合時代的要求。DIS是由傳感器、數據采集器、計算機、實驗教學軟件構成的新型實驗系統，它通過多種專用傳感器完成相關物理量的采集，并應用數據采集器進行處理，然后上傳到計算機，由實驗教學軟件進行實時處理分析，為學生深刻認識和理解物理實驗現象與規律提供了現代化的技術平臺，極大地改變著物理教學的現狀。

開課的老師提出霍爾效應的現象以及歷史背景，黑板上構建了基本情景，針對霍爾效應做了非常規范細致的分析，到這里為止復習的模式方法非常常規，但是我們都心知肚明，只有掌握好了基礎理論才有進一步的創新提升，才能將相似的題目，相似的模型串聯起來。用磁場探測器測量了條形磁鐵不同位置，不同距離的磁場強度，而且通過DIS系統采集到的數據以圖像的形式展現給學生，非常的直觀形象，但是站在學生的立場，這個探測系統似乎不能夠讓他感到信服，畢竟還不知道探測系統的工作方式，工作原理?？梢越铏C提出為什么該設備能夠測量磁感應強度，這就跟今天的課程大有關系，讓學生覺得學有所用，讓學生猜測該磁場探測的核心部件原理。

DIS系統中的磁場探測器核心部分就是霍爾元件，隨著分析的推進同時提出該元件的組成部分，如何對該元件供電？接下來的學生的回答讓我們覺得這節課對學生的引導上收效巨大，學生通過老師的實驗演示，通過與之前的試卷習題相關聯，以及霍爾元件的原理分析，他們真的可以將帶電粒子在磁場電場中的運動問題有機地結合起來，達到了很好的復習效果，做到了事半功倍，舉一反三的效果。

傳統的小燈泡伏安特性曲線的實驗方案也可以改造成使用DIS系統。將電源，開關，小燈泡和電流傳感器串聯起來，當閉合開關后從電腦顯示電流開始短時間較大而后穩定，這是為什么？用普通的電壓電流表不好體現，因為普通的電表的指針不大穩定容易受到外界因素干擾，而用DIS系統能非常直觀地展示電壓電流隨時間的變化，而且這個現象完全可以以試題的方式出現，考核溫度對電阻的影響。

當然對于弊端方面，筆者個人覺得用DIS系統固然獲取數據快，分析快，但是它跳過了實驗的原理，所以在某種程度上跟傳統的實驗對比削弱了學生的實驗分析能力，對于傳統實驗很難測量的物理量，DIS系統有著非常大的優勢。

數字信息化系統實驗在高中物理教學中的應用逐日增多，地位也提升，很多老師都采用傳統實驗與DIS系統結合的形式展現了一節節公開課，給我們留下了深刻的印象，作為一名中學物理教師不能只把眼光停留在課本上，我們應該多多學習交流，把握層出不窮的最新的科技前沿，開發更多的探究性實驗，在教學上應該以學生為主體，我們要多加以引導啟發，提升他們的物理興趣，提供給他們良好的學習創新開發的環境。

為了提高學生的自我探究能力，創新能力，我校建設了物理探究實驗室，配備了DIS系統，給學生提供了更多自主研究的空間。老師在讓學生熟悉傳統的實驗基礎上，帶領學生進行DIS實驗的應用與開發，讓學生適當地接觸電子技術，了解工業生產中所用到的一些方法以及技術手段，相信通過這些探究實驗能充分調動學生學習物理的積極性，進一步端正做科學實驗的態度。

比如以前在簡諧運動以及單擺部分的教學中，我們是利用水平氣墊導軌上演示彈簧振子，我們大多數是用眼睛觀察感受振子在運動中的粗略的位移和速度變化，做一些簡單的定性分析判斷，更別說能很好地得到回復力，位移，速度隨時間的變化圖像，總讓人感覺到意猶未盡。在單擺實驗中我們教材上提供了一個傳統做法，利用沙漏的擺動記錄簡諧運動的圖像，利用頻閃照相的方法研究運動，這些方法雖然思想上還是很不錯的，但是在教學中的操作性都不強，效果不大理想?，F在這種狀況可以得到很好地改善了，我們可以利用力，位移和速度傳感器采集數據進行定量的分析，如圖1通過安置力和位移傳感器對彈簧的簡諧運動進行了快而準的分析，采集到的數據直接通過軟件以 F-t，S-t和V-t的形式呈現在學生面前，而且讓他們感到驚訝的是隨著時間的進行，圖像是有節奏實時繪制的，效果非同凡響。當然我們還可以在學生掌握基礎操作情況下對學生進行適當的引導，為什么圖像幅度隨著時間的推移會逐漸發生變化，如何設計改造實驗研究單擺的運動，如果增大砝碼質量，改變彈簧等因素，圖像會如何變化呢？利用課余時間我帶領學生進入探究實驗室，給他們培訓了探究設備的使用方法，計算機軟件的操作等等，實驗過程讓我高興的是，整節課學生斗志昂揚，表現出極高的興趣，同學之間互相配合協作交流探討，對實驗做了很多的變化改造，這不就是新課程下老師最喜歡看到的一面嗎？

前不久，筆者帶領學生利用了DIS系統對二極管做了一定的探究，對二極管的伏安特性做了較為深入的測試，并開展了一節信息技術與課程整合公開課《初探二極管》。伏安特性曲線圖常用縱坐標表示電流I、橫坐標表示電壓U，以此畫出的I-U圖像叫做導體的伏安特性曲線圖。這種圖像常被用來研究導體電阻的變化規律，是物理學常用的圖像法之一。如圖2我們對傳統的電路進行改造，可以非常方便迅速地調節二極管兩端電壓，并獲得實時的電壓和電流數據，對于得到的大量數據不便于人工處理分析，可以通過DIS對應的軟件將數據和excel進行對接，利用excel我們很容易擬合出二極管的正向伏安特性，個別同學利用課余時間還分析了二極管的反向的伏安特性。通過這次與DIS結合的基礎實驗，同學們對實驗本身原理有了更加深入地了解，同時還掌握了DIS系統的使用方法，以及簡單地使用計算機軟件處理數據，大大提升了他們對物理的熱情和興趣。

作者簡介：

林真，福建省福州市，閩侯縣第一中學。