DIS系統在物理實驗教學中的應用

王 璐，彭紅梅，隋景忠，牧 仁

（1.內蒙古民族大學 數理學院，內蒙古 通遼028043；2.內蒙古通遼市奈曼旗第一中學，內蒙古 奈曼028300）

0 引言

物理學科以實驗為基礎，通過實驗手段探究各種物理問題、現象及規律，是該學科的鮮明特點.物理實驗能加強學生對課程內容的記憶，加深對基礎知識的理解，提升學生學習興趣，更能培養學生的實驗觀察能力、科學探究能力以及物理思維.但是傳統物理實驗教學往往因為設備不足，儀器不精密，操作費時而降低了課堂效率，限制了實驗教學的延伸發展.借助現代化數字技術設備突破實驗教學中不可測和不可看的一些實驗，是今后中學物理課堂教學中的探究方向.

2001年，我國就開始在經濟發達的部分地區，引入并實施數字化實驗，進行課堂實踐研究，并取得較好的結果.其中，數字化信息系統（DIS，Digital Information System），在眾多現代化教學技術中表現優異，深受中學物理教師與學生的認可.而DIS實驗也由于一些局限性被許多人討論，如其不能像傳統實驗進行整個過程的實驗操作，對學生的動手能力、實際問題分析能力等等有所不利.本文將借助實際案例，對DIS實驗與傳統實驗進行綜合對比分析，并從中總結DIS作為現代化技術存在的優勢，對傳統實驗與DIS實驗的融合提出建議.

1 DIS實驗教學案例

物理實驗是一個包含操作、觀察、探討、分析、歸納的過程.在這個過程中引導學生從紛繁冗雜的物質世界中總結出規律，并鼓勵學生透過現象探究掌握和完善總結出規律的方法，是中學物理教學的基本任務.因此，如何使同學們直觀地認識到物理現象并總結物理規律至關重要，而DIS實驗恰好可以幫助學生直觀地觀察到物理現象.本文將通過下面兩個案例具體介紹分析DIS實驗在中學物理中的部分應用.

1.1 探究作用力與反作用力的關系

經典力學以牛頓三大定律為核心.而作用力與反作用力的關系，是牛頓第三定律所總結的規律，該定律不僅僅揭示了兩物體相互作用的規律，也為研究并解決各種復雜問題提供了理論基礎，拓展了牛頓第二定律的適用范圍，讓復雜的動力學問題得以簡單化.因此在中學物理中掌握牛頓第三定律具有重要意義［1］.

圖1人教版必修1中探究作用力與反作用力關系實驗圖Fig.1 The experimental diagram of the relationship between the force and the reaction force in the compulsory 1 of the People’s Education Edition

傳統的教學過程中，牛頓第三定律的探究離不開必需的實驗工具彈簧測力計，如圖1所示，將兩測力計掛鉤對接，分組將彈簧測力計固定一個和都不固定進行實驗.讓同學們猜想：（1）將其中一個彈簧測力計固定，測力計對拉時，兩測力計的示數有什么關系？（2）兩測力計不固定對拉，觀察勻速運動和變速運動時示數有什么關系？學生帶著上述問題以小組為單位進行實驗探究，得出A、B兩測力計示數在4種情況下都相同，并在此基礎上得出實驗結論，完成表1.

表1實驗數據表Tab.1 Experimental data diagram

在實驗中學生會發現，由于各種人為原因（如手的抖動、讀數誤差等）給結果帶來不可避免的實驗誤差，特別是當彈簧測力計運動起來時，讀數比較困難，誤差也較大，這樣使得實驗效果受到影響，學生對實驗的可信度下降.

倘若借助如圖2所示的力傳感，數據采集，分析裝置設備，學生們可以通過設備顯示器直接讀出數值大小，數據通過采集器，傳輸至電腦端的數字化實驗軟件中，可生成兩傳感器的直觀的數值圖像，如圖3所示，圖像的橫坐標、縱坐標分別表示為實驗過程的時間（t）和傳感器上的力（F），正半軸部分圖像為A傳感器圖像，負半軸圖像為B傳感器圖像.圖像中如a段，圖像向上傾斜表示此時作用在測力計上的拉力在增強（兩傳感器間距離增大）；如b段，圖像為傾斜向下表示作用在測力計上的拉力在減小（兩傳感器間距離減小）；如c段，圖像與t軸平行的線段表示此時作用在測力計上的拉力為恒力（兩傳感器靜止）；如d段，為兩傳感器勻速運動圖像；如e段，為兩傳感器變速運動圖像.

圖2 DIS實驗裝置實物圖Fig.2 Physical diagram of DIS experimental device

圖3實驗數據圖像Fig.3 Image of experimental data

根據以上由力傳感器得到的圖像學生很容易發現：兩測力計的受力圖像為對稱圖形，其中A傳感器與B傳感器的受力圖像，無論固定哪個傳感器或兩傳感器均靜止、勻速、變速運動，傳感器數值大小實時相同（如a=a′，b=b′等）.在此基礎上得出結論：作用力與反作用力在相同作用時刻大小始終相等、方向相反，并且在作用時間內同步變化.繼續引導學生觀察總結，從而引出牛頓第三定律的內容，完成實驗輔助教學.

1.2 氣體的等溫變化

氣體的等溫變化是新課標普通高中物理教材選修3-3第八章第一節的內容，氣體的等溫變化是第八章“氣體”內容的重點知識，由等溫變化曲線可以準確地得出玻意耳定律：恒溫情況下，質量一定的某種氣體，壓強P與體積V成反比.該定律的學習為后面查理定律和蓋呂薩克定律的掌握作鋪墊，是物理學熱學板塊的重要內容［2-4］.

圖4人教版選修3-3中的探究氣體等溫變化的規律Fig.4 Exploring the law of gas isothermal changes in Elective 3-3 of the People’s Education Edition

傳統實驗教學中，常采用如圖4中（A）圖的實驗裝置進行實驗，實驗裝置由壓力表與注射器組成，注射器中的空氣柱是研究對象，試驗過程中它的質量不會變化；從儀表可以得到氣體壓強大小P，注射器外側刻度可以獲得氣柱長度L，注射器的截面S與L的乘積就是實驗中不同壓力下的氣體體積V.

改變活塞位置，獲取體積和壓強的幾組數據，再將數據進行分析計算、處理作圖，在坐標圖上描繪出P與的關系圖像.可以得出如圖4中（B）圖像：一條過原點的傾斜直線，即說明P與成正比，得出玻意耳定律.

在DIS實驗中，依然可以利用注射器，但將上述壓力表改為壓強傳感器與數據采集器和計算機結合進行實驗，實驗器材與連接如圖5所示，注射器的端口與壓強傳感器的輸入端緊密連接，再將壓強傳感器與數據采集器相連接，數據采集器與計算機相連接.

圖5氣體等溫變化規律的DIS實驗探究裝置Fig.5 DIS experimental exploration device of gas isothermal change law

完成上述連接后，學生小組合作進行實驗，研究對象同樣為注射器內的氣體.由注射器上的刻度讀出氣體的體積V，手動輸入到實驗系統的表格中.氣體的壓強通過與注射器相連接的壓強傳感器測得，測得的壓強P在系統中實時顯示，用鼠標單擊記錄按鈕，由計算機自動記錄，這樣可以獲得不同體積時氣體壓強的數值.最終得到表2中所示P與V的數據.

表2氣體等溫變化實驗數據表Tab.2 Experimental data table of gas isothermal change

在軟件的操作界面點擊“計算”，得到體積的倒數與壓強—體積的乘積兩組數據，從數據表2中可以明顯看出各個結果的體積—壓強的乘積非常接近，接近一個常數.點擊“P-V圖像”，在坐標圖中生成數據點，經過“曲線擬合”獲取擬合圖線；再點擊“圖像”，與上述執行相同操作，獲得數據點的擬合圖線，如圖6（A）所示，圖像為一次函數正比曲線.圖像中存在不在直線上的點，是因為活塞中的摩擦，以及讀數時的估算產生的誤差.圖像證實了兩個物理量的線性關系.而為了更直觀地看出壓強P與氣體體積V的關系，通常采用P-V圖像，如圖6（B）所示，圖像描述的是等溫情況下的P-V關系，因此也稱為氣體等溫過程變化曲線，簡稱等溫線.

引導學生分析：

（1）直線不過原點是系統或偶然誤差中哪個引起的？

（2）如何減小誤差：實驗時推動活塞要緩慢；手不要去握注射器；活塞涂上潤滑油；體積讀數時視線要平視刻度.

圖6氣體等溫變化實驗圖像Fig.6 Experimental image of gas isothermal change

教師引導得出結論：等溫時，質量一定的氣體壓強與體積成反比關系.即玻意耳定律.完成DIS實驗輔助教學.

2 DIS實驗的優越性

通過上述兩個案例，并參考許多文獻，總結出DIS實驗具有如下優勢：

（1）實驗過程動態化

傳統力學實驗中，一般使用彈簧測力計進行力的測量.彈簧測力計價格低、應用非常廣泛，但其缺點也顯而易見：僅適于靜態而不適于動態測量；能測拉力而不能測量壓力；此外，彈簧測力計本身的精度、讀數容易形成偏差也限制了其實驗效果［5-7］.而DIS實驗系統可以隨時的對實驗的信息進行采集，在對物理動態進行分析的時候有著不言而喻的優勢.

（2）實驗結果的精確性

DIS實驗運用的各類傳感器可實時采集準確的多種物理量數據，既繼承了傳統實驗儀器采集數據的能力，又突破了傳統設備在數據處理上的局限，簡言之，DIS實驗能準確獲取的物理實驗數據并快速處理，包括計算和作圖，這就使物理學規律的發現或驗證更有嚴謹性和可信性.

（3）物理規律直觀化

對許多不直觀物理現象，規律往往不易被發現.如使用測力計進行最大靜摩擦力實驗，失重演示實驗等，在動態實驗過程中，往往難以觀測到那些瞬變值.而數字化實驗設備能夠隨時獲取所測物理量的大小方向等內容，由于系統的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓強、圖像等），計算機或數字儀表要能夠處理這些物理量信號，必須先將這些物理信號轉變為數字信號，繼而將數字信號轉換為直觀的圖表，便于學生接受理解以及記憶.物理規律生成的圖表信息可將規律具體化，幫助學生理解［8-9］.

（4）實驗具有省時性

傳統實驗教學中，課堂上師生需要花費大量的時間，來進行數據的分析與處理和圖表的制作，容易產生誤差，影響學生對概念的認識.而DIS實驗，只需要通過傳感器，與數據采集器將數據導入數字化實驗軟件中進行處理分析，節省了大量的課堂時間.

3 物理實驗教學中使用DIS的體會

大家都知道凡事都具有雙面性，DIS在物理實驗教學中的確存在以上明顯的優勢，但相對的也存在部分的局限性，如忽視了物理實驗的本質，不利于發展中學生的動手能力.對此，具體做法如下：

（1）DIS實驗可以借助人機交互，通過非常簡單的操作，展現實驗現象，讓學生們輕而易舉的獲得了實驗的結果，卻忽略了實驗的操作本質，不利于學生對知識點的把握，并且不利于發展學生觀察能力與動手能力.

針對上述問題，筆者的做法是DIS實驗為輔，實際操作為主的演示實驗方式，進行物理實驗教學，在必要的時候如數據分析、計算、作圖等方面，借助DIS進行快速直觀的展現，充分節約課堂時間，突出其優越性所在，在此過程中，學生的注意力也將大部分集中在實際的實驗演示上，學生的主觀能動性得以提高，從而提高對物理實驗的學習興趣.

（2）DIS實驗在節約課堂時間的同時，卻容易被教師誤用.教師容易快速地結束實驗講授，而加強趣味性不強的理論講授，從而導致學生對物理課程的不喜愛.

對此，筆者給出的做法是：DIS作為教學工具，雖然存在很多的優勢，但卻需要施教者，加以合理的運用.教師在教學中要適當運用DIS，而不應為了體現課堂豐富的現代化設備，而進行不必要的數字化教學，應精心挑選那些通過數字化信息系統能夠使教學效果最佳的內容，進行精心的設計，才能發揮DIS實驗教學的優勢［10］.而盲目過多地使用DIS，反而會影響課堂教學的效果，產生如上所述的負面效應.如在自由落體運動的教學中，利用紙團與紙片引入，通過牛頓管演示真空中的自由落體，非常真實、直觀，現象明顯，學生在觀察后也能有深刻的印象和理解.

4 結語

科技的進步必然引起社會全方位的變化，在教育教學方面也是如此.作為新時代的人民教師，更應該緊跟時代的腳步，關注信息技術與教育技術、設備的前沿發展，掌握教育、教學技術前沿信息，進一步提升自己的綜合素質與能力.為此，本文通過簡單的案例，分析了現代化DIS實驗與傳統實驗的差異，總結出DIS在實驗教學中的優越性所在，對其存在的局限性也進行了簡要的分析并給出了合理化的建議.隨著數字化實驗教學的日益發展完善與教師能力的不斷提高，DIS實驗教學在中學物理教學中將發揮出更大的作用，同時也希望本文能夠給眾多物理教師，在使用DIS實驗教學時，帶來新的體驗.