高中物理傳統實驗與DIS實驗的比較研究

李文淵

摘?要：DIS實驗是利用傳感器、數據采集器將一些非電學量轉換成電信號，再通過計算機的運算，在熒光屏上顯示出各個物理量，或者繪制出各類物理圖像來分析實驗結果的實驗方法。它具有簡潔、快速、準確、直觀的特點，已經成為現代中學物理非常重要的實驗教學手段。研究DIS實驗與傳統實驗之間的優劣，明確DIS實驗對于優化中學物理實驗的積極作用，并探究DIS實驗在中學物理實驗中的實施策略，為提升中學物理實驗的教學質量創造現代化技術環境。

關鍵詞：高中物理;DIS實驗;傳統實驗;比較研究

一、 引言

隨著信息技術的發展，中學物理的實驗手段也在不斷發展進步。DIS實驗系統可以利用傳感器、數據采集器能夠將位移、速度、加速度、力、壓強、溫度等非電學量轉換為電信號，通過處理軟件及計算機的運算，將測量的物理量顯示在熒光屏上，或者繪制出各類物理圖，用來進行實驗結果分析的一種數字化信息系統實驗裝備。利用DIS實驗系統可以使實驗過程簡單化、實驗裝備簡易化、實驗數據可視化、實驗結果直觀化，因此具有簡潔、方便、準確、直觀的特點，能夠為中學物理實驗教學創造現代化技術環境，已經成為現代中學物理非常重要的實驗教學手段。本文將通過實驗教學實踐與對比研究，對于DIS實驗與傳統實驗之間的優劣做出判斷，明確DIS實驗對于優化中學物理實驗的積極作用，為在中學物理實驗中運用DIS實驗系統探明方向，充分利用數字化信息技術手段為中學物理實驗教學開辟新的路徑。

二、 傳統實驗與DIS實驗的器材比較

（一）DIS實驗器材

DIS（Digital Information System）實驗器材主要是現代高科技裝備材料，是以數字化信息技術理論作為技術理論支撐，其核心設備有：傳感器、數據采集器、實驗軟件及計算機等，其中傳感器中包括電流、微電流、電壓、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等多種設備。數據采集器與計算機以串行方式通信，采用四路并行輸入，即可同時接入四種傳感器并收集四種不同的物理量。

DIS實驗軟件是一套數據處理系統，是一種計算機運算程序。其中實驗軟件包括教材實驗專用軟件和實驗通用擴展軟件兩種。教材實驗專用軟件是專門針對物理教材中的每一個實驗開發的，幾乎能夠滿足物理教材中的所有演示實驗和學生實驗的需要。實驗通用擴展軟件是為了豐富物理實驗路徑，為教師和學生提供更為廣泛的探索與創新實驗設計的實驗處理軟件，利用這些軟件教師和學生可以自己設計實驗，進行個性化的實驗與學習。

DIS實驗器材的特點是能準確、動態地采集實驗信息，并能夠利用函數圖像處理功能，由計算機及實驗軟件輔助實現數字化顯示，快速、直觀、形象地展示出實驗結果。

（二）傳統實驗器材

縱觀現有的傳統物理實驗器材，大多都是以最基礎的物理測量、演示儀器為主，是以實現最基本的物理知識和物理現象作為理論支撐，其主要設備有：學生電源、彈簧測力計、打點計時器、秒表、直尺、游標卡尺、螺旋測微儀、天平、靜電計、電壓表、電流表、多用電表、溫度計等等。

傳統實驗器材的特點是功能單一、測量繁多、組合復雜，進行一個實驗都必須由多種儀器組合起來實現，組合附件多、調節難度大，使得實驗進程緩慢，精度不高，實驗信息處理只能由人工進行大量的計算、作圖和分析。

三、 傳統實驗與DIS實驗的實驗誤差比較

（一）偶然誤差

偶然誤差是實驗中由于操作和讀數不準確造成的誤差，在傳統實驗中偶然誤差在整個實驗誤差中具有相當大的占比。而DIS實驗系統是自動采集實驗信息（數據和方向），因而可以基本消除實驗過程中的偶然誤差。因此，對于偶然誤差明顯是DIS實驗優于傳統實驗。

（二）系統誤差

對于系統誤差，即實驗器材與方法帶來的誤差，我們通過幾個測量工具進行比較分析。時間測量工具：傳統實驗中一般都是利用秒表或者是利用打點計時器測量時間。秒表的最小數量級為0.1秒，如果算上估讀到0.01秒。而打點計時器是每個點間隔 0.02 秒。而用DIS實驗系統中測量時間的調整范圍在“0.1ms～7500ms”之間。它能根據不同實驗的要求選擇“快”“默認值”“慢”三個擋位進行調節測量時間的精度和范圍。溫度測量工具：傳統實驗中測量溫度都是利用水銀溫度計，水銀溫度計的精確度只在小數點后兩位，而且小數點后第二位已經是估計值。而用DIS實驗中的溫度探頭（溫度傳感器）測量溫度變化，不但可以準確地測量出任意時刻的溫度，而且它的測量范圍在（0℃～100℃），精度為±1%。從以上測量工具的精確度不難看出，DIS實驗在系統誤差上也明顯優于傳統實驗。

四、 傳統實驗與DIS實驗的時間比較

在實施課題研究的過程中，分別對DIS實驗與傳統實驗中的操作時間與學生交流討論時間進行了跟蹤記錄，在獲取大量對比數據的基礎上，取平均值進行統計分析，下面以表格形式列舉四個實驗予以說明，如表1。

從表1明顯可以看出，在操作時間上DIS實驗比傳統實驗基本要少于一倍以上，這樣就可以減少重復性操作，學生可以用更多的時間和精力對物理過程和實驗誤差進行分析，來探究物理實驗的實質性問題，掌握更為豐富的物理知識。

五、 傳統實驗與DIS實驗的數據處理對比

實驗數據處理是物理實驗十分重要的步驟，也是體現實驗教學效果的關鍵環節。傳統實驗的數據處理都是要學生通過實驗記錄的數據進行大量的運算，或者在坐標紙上利用描點法進行手工作圖，既要花大量的時間，還存在大量的偶然誤差，可能使得實驗結果不準確，甚至導致實驗失敗。而DIS實驗能夠自動收集數據，并通過實驗軟件將計算結果或圖像直接呈現在熒光屏上，通過導出程序下載，或者直接打印出來，而這些過程可以在很短的時間內由計算機自動完成。特別對于圖像的處理非常準確、快捷，是手工作圖無法比擬的。下面以“探究氣體壓強與體積關系”的實驗為例作以比較。

在“探究氣體壓強與體積關系”的傳統實驗中，需要測量讀取5組以上的壓強（p）、體積（V），然后在坐標紙上以壓強（p）建立縱軸、以體積（V）建立橫軸，根據數據利用描點法描出實驗點，再根據描出的點畫出光滑曲線，而這個畫光滑曲線的過程學生很難掌握，往往要花很長的時間，并且由于畫出的圖線是曲線，無法判斷壓強與體積的具體關系，又要將體積（V）的數值計算成1V的值，再進行作圖，得到的圖線為一條傾斜的直線，才能得出：氣體壓強與體積成反比的實驗結論。以上實驗數據處理過程往往要花上十分鐘左右的時間。

如果利用DIS實驗系統，上述實驗數據的處理過程就相當簡單，數據直接由計算機收集生成到表格中，利用專用的實驗軟件，自動生成數據點并形成圖線，如圖1所示。

再利用計算機將體積（V）的數值計算成1V的值，再進行作圖，就可迅速得到p1V的圖線，如圖2所示。

從以上圖示明顯體現出利用DIS實驗系統進行數據處理的優勢所在：作圖簡潔精確，用時極短。避免了手工作圖的煩瑣與粗略。

六、 結語

通過上述對比分析，DIS實驗與傳統實驗相比較有諸多方面的優勢，其實驗器材、實驗操作、實驗時間、實驗精確程度、實驗數據處理等方面都普遍要比傳統實驗要優越，實驗效果更好。但也要注意到，使用DIS實驗會大量減少實驗操作過程，這對學生的動手實驗能力的提高有著不小的沖擊，還有由于大量使用傳感器測量物理量，對于測量工具的使用就會大量減少，這也會使學生在正確使用測量工具的技能上造成一定程度的影響，等等。因此，我們認為不應完全拋棄傳統實驗，有效的做法應該是對傳統實驗與DIS實驗進行合理整合，讓兩類實驗都能最大限度地發揮出各自的教學優勢，培養和提高學生的實驗能力與綜合素質。

作者簡介：

李文淵，甘肅省定西市，甘肅省臨洮中學。