合理利用DIS實(shí)驗(yàn)提高物理課堂教學(xué)的時效性

陳全海 萬桂新 丁鵬飛

教學(xué)論專家余文森教授提出，課堂教學(xué)的時效性是指通過課堂教學(xué)活動，使學(xué)生在學(xué)業(yè)上有收獲、有提高、有進(jìn)步。具體表現(xiàn)在：學(xué)生在認(rèn)知上，從不懂到懂，從少知到多知，從不會到會;在情感上，從不喜歡到喜歡，從不熱愛到熱愛，從不感興趣到感興趣。如何在較短時間內(nèi)使學(xué)生既學(xué)到應(yīng)該掌握的知識，又能從更深層次上得到啟迪呢？計(jì)算機(jī)技術(shù)與物理教學(xué)的融合是一個重要途徑。在此將討論如何合理利用DIS實(shí)驗(yàn)提高物理課堂教學(xué)的時效性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、DIS實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用

實(shí)驗(yàn)和物理思維是科學(xué)研究中最重要的觀念和思想方法，二者缺一不可。物理實(shí)驗(yàn)既是物理知識教學(xué)的基礎(chǔ)，又是實(shí)施素質(zhì)教育的一種主要渠道和有效手段。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確指出，高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展;使學(xué)生具有科學(xué)探究意識，能在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜想與假設(shè);具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實(shí)施探究方案，使用不同方法和手段分析、處理信息，描述并解釋探究結(jié)果和變化趨勢;具有交流的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評估和反思探究過程與結(jié)果。新課標(biāo)的實(shí)施以及新教材的改革，充分體現(xiàn)了教學(xué)的多樣性與選擇性，也對物理教學(xué)提出了新的要求。以傳感器和軟件技術(shù)為核心的DISLab正是在這種背景下發(fā)展起來的，它是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Digital Information System laboratory）的英文縮寫，是一種有別于傳統(tǒng)的，將數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析和處理融于一體的新型綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其應(yīng)用從根本上克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合。

二、發(fā)揮DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢提高課堂教學(xué)效率

1.完成傳統(tǒng)方法無法完成的實(shí)驗(yàn)

在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)因其復(fù)雜性或被測物理量極其微弱而難以在課堂上完成。如動能定理的驗(yàn)證需要測瞬時速度，而瞬時速度是平均速度的極限值，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中常用打點(diǎn)計(jì)時器測量，但存在兩個問題：一是精確度不夠高，二是只適用于直線運(yùn)動，無法完成對曲線運(yùn)動的測定，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏足夠的說服力。而利用DIS實(shí)驗(yàn)就可以很好地解決這些問題。以動能定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例，DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比具有以下優(yōu)勢：一是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的誤差較大（超過5%），而DIS實(shí)驗(yàn)的誤差更小（小于5%）;二是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗時費(fèi)力，而DIS實(shí)驗(yàn)操作簡單，用電腦代替人工計(jì)算，可節(jié)省時間;三是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只適合于直線運(yùn)動，而DIS實(shí)驗(yàn)還適合于曲線運(yùn)動。

實(shí)踐證明，在驗(yàn)證動能定理和機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，采用DIS實(shí)驗(yàn)可以大大提高課堂教學(xué)效率。在演示感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的主要儀器是安培表和匝數(shù)較大的線圈，無法顯示單匝線圈或單根導(dǎo)線產(chǎn)生的微弱感應(yīng)電流;而DIS實(shí)驗(yàn)中的電流表可以很好地顯示微弱電流。由于實(shí)驗(yàn)操作非常簡便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，既能豐富課堂內(nèi)容，也能激發(fā)學(xué)生的興趣，大大提高了課堂教學(xué)效率。

2.將DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)合理搭配

提高物理課堂教學(xué)的時效性需要教師從實(shí)際出發(fā)，辯證地看待DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足，并將兩者有機(jī)地結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

（1）混合搭配型

可在同一節(jié)課中同時安排傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)，使兩種實(shí)驗(yàn)手段互相補(bǔ)充、揚(yáng)長避短。如在“牛頓第三定律”的教學(xué)中，讓學(xué)生先用傳統(tǒng)的彈簧秤在水平桌面上對拉，引導(dǎo)他們觀察兩拉力的特點(diǎn)并作出總結(jié)，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的問題，說明原因，提出解決的辦法。接著，給學(xué)生展示拉力傳感器，說明其功能，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果及時展示給學(xué)生。通過對比讓學(xué)生體驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)手段的效果，體會DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性，同時也對物理定律產(chǎn)生了更深刻的印象。

又如在“摩擦力”一課，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常將靜摩擦力和滑動摩擦力分開講解，教師只能做定性的演示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也無法及時呈現(xiàn)給學(xué)生。如果采用DIS實(shí)驗(yàn)，就可以很好地將兩種摩擦力結(jié)合在一起，并將摩擦力的變化規(guī)律實(shí)時展示給學(xué)生，收到了良好效果。因此這節(jié)課中，教師將學(xué)生分成若干小組，先讓學(xué)生用傳統(tǒng)的彈簧測力計(jì)在桌面上拉動文具盒等物體，定性、半定量地觀察物體摩擦力的變化規(guī)律;隨后采用DIS實(shí)驗(yàn)，用拉力傳感器取代彈簧測力計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠動態(tài)地在電腦屏幕上顯示出來，便于直觀看到從靜摩擦力到滑動摩擦力隨著外界拉力的變化規(guī)律，以及滑動摩擦力隨著壓力而變化的規(guī)律，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)節(jié)省了更多課堂時間，又能將靜摩擦力和滑動摩擦力的內(nèi)在聯(lián)系表現(xiàn)得更清楚，提高了課堂效率。演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象的系列實(shí)驗(yàn)大多數(shù)都可以采取這種方式。如楞次定律、互感和自感等演示實(shí)驗(yàn)，可先用傳統(tǒng)儀器演示，讓學(xué)生先定性地觀察現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，再用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步演示分析，看到更精確的數(shù)據(jù)。這樣的好處是可以用普通導(dǎo)線自制螺線管和單匝線圈，讓學(xué)生便于觀察電流的流向。

混合型教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在課堂上通過兩種實(shí)驗(yàn)手段的對比，降低學(xué)生對DIS實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知困難，使學(xué)生更容易接受或理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）單一型

單一型是指在一節(jié)課中只采用某一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健ＭǔＪ菑膶?shí)際出發(fā)，權(quán)衡兩種實(shí)驗(yàn)手段的利弊而作出的選擇。但不管采取哪種方式，必須以有效性為原則，本著實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，理性地作出選擇。如在研究“平拋運(yùn)動”的實(shí)驗(yàn)中，給學(xué)生提供一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，不管是教師在課堂上演示，還是學(xué)生親自操作，由于實(shí)驗(yàn)簡單直觀、便于觀察，因此很容易得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。相反，若采用DIS實(shí)驗(yàn)，則需要在電腦屏幕上通過“位移—時間”圖像的分析才能得出結(jié)論。由于時空的錯位會導(dǎo)致學(xué)生不易理解，因而削弱了做實(shí)驗(yàn)的意義，就談不上提高課堂效率了。

三、結(jié)論

正確處理好傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)的關(guān)系是提高物理課堂教學(xué)效率的關(guān)鍵。雖然DIS實(shí)驗(yàn)具有操作靈活、簡便，能自動、快速、精確且實(shí)時動態(tài)采集和顯示實(shí)驗(yàn)信息的功能，但也并非所有實(shí)驗(yàn)都適合用DIS來完成。而且，正是由于DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，可能會削弱對學(xué)生觀察能力、動手能力和計(jì)算能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生忽視實(shí)驗(yàn)本身的物理意義。因此，在教學(xué)中要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)選擇合適的實(shí)驗(yàn)方案，全面培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)。

（責(zé)任編輯 ? ?郭向和）