DIS實驗在高中物理力學教學中的應用分析

萬慶

（阿勒泰地區第二高級中學高中，新疆維吾爾自治區 阿勒泰市 836500）

1 引言

物理是一門以實驗為基礎的課程，需要在教學過程中通過實驗的設計與研究來得出相應的數據測算結果，從而在研究的過程中形成相應的理論原理與觀點[1]。在傳統的物理實驗中，主要是通過教師進行相關的實驗演示以及學生分組實驗的形式來開展，這種實驗過程耗時長，且學生主要是基于預先設定好的實驗過程開展實驗，難以實現學生主動性與創造力的全面發揮。而DIS實驗的應用，能夠基于如今數據信息化技術的發展來實現物理實驗效率的全面提升。

2 DIS實驗在高中物理教學的優勢

DIS 實驗是一種數字化的信息系統實驗類型，主要是基于傳感器、數據采集器、計算機、軟件系統以及部分傳統實驗儀器所組成的一個實驗系統，能夠在應用的過程中全面培養學生個體的觀察能力、實驗操作能力以及創新能力[2]。而在現行的高中物理教學實驗中，力學教學內容是一個重要的板塊，無論是勻變速直線運動的研究還是牛頓運動定律的研究，都離不開相應的力學實驗，需要通過實驗來得出最終的實驗結果來驗證相應的定律。

2.1 提高實驗室數據采集的效率

DIS 實驗在高校全面應用的基礎上，高中物理課程的實驗課堂能夠通過計算機以及相應的數據處理軟件來構建數字化的實驗室，以此來提高實驗室內數據測算的效率。傳統的高中物理實驗過程耗時相對較長，且會受到諸多認為因素的干擾，難以實現對實驗中的大量數據進行分析研究。而DIS 實驗能夠在實驗中通過傳感器來進行數據信息的采集，學生能夠基于這種智能化的信息分析系統進行觀察與分析，增強學生學習的自主性。

2.2 確保實驗數據計算的精準性

在目前高中的物理力學實驗教學中，主要是基于老式的實驗設備來進行高中階段學生的教學，例如秒表、刻度尺、彈簧秤等設備，這些設備容易在長期的使用中產生損壞以及消耗，影響實驗最終的結果呈現。而DIS實驗的應用，能夠基于力傳感器進行實驗的數據的采集，例如在向心力實驗的測定中，能夠通過相應的平臺實驗裝置來實現相應的實驗測定，并且基于力觸感器的操作繪制向心力與影響因素的線性關系圖來進行數據分析，實驗結果具有一定程度的精準性。

圖1 向心力的影響因素數據測算圖

2.3 實現實驗室數據可視化呈現

DIS 實驗系統能夠在實驗的基礎上通過數據的自動采集功能實現實驗裝置與計算機系統的連接，并且通過物理量的自動識別來進行數據測算。例如用DIS 的力傳感器以及光電門裝置，能夠記錄下軌道半徑的速率以及向心力的大小，并且通過這種自動化的數據采集與數據資料的整合來實現相應的數據圖表的反映，從而實現一種數據可視化的呈現，幫助學生在更直觀的觀測中實現相應的數據觀察，更好地強化學生在實驗數據中的記憶深度[3]。

3 DIS實驗在高中物理力學教學中的應用的案例分析

3.1 瞬時速度大小的實驗測定

在我國高中教育階段物理教學的課程安排中，運動學是其中基礎性的學習內容。瞬時速度是運動物體在某一石窟或某一位置中的速度，其作為一種物理矢量，既有大小也有方向，是力學實驗中的基礎的物理量[4]。對于此類物理量的相關知識，教師主要是通過內容講授的形式進行課程教學，輔之以打點計時器來進行的物理實驗。在傳統的物理實驗教學中，瞬時速度的測算方法是將平均速度所取得的時間進行最大程度的縮小，從而在最終的數據測算中得出數據結果，但是由于打點計時器震動頻率的問題，使得其結果難以實現最大程度的精確。

圖2 打點計時器呈現結果過圖

然而，在DIS 實驗數據的測算中，該實驗能夠在實驗操作中充分應用電門傳感器進行數據采集并進行相應的輔助性測算。例如按動“開始采集”按鈕后釋放小車，小車會在通過光電門之后停止數據采集，而且能夠采用不同寬度的擋光板進行多次試驗，從而保證數據測算的精準程度。這種實驗形式簡化了相應的實驗設備，且光電門的位置便是所測的瞬時速度的位置，學生能夠基于光電門來加深對實驗數據的理解。如表一：

表1 DIS 實驗測量瞬時速度大小

3.2 牛頓第二定律的實驗測定

牛頓三大定律，即慣性定律、加速度定律、作用力與反作用力定律，是力學的基礎性內容，也是需要學生進行全面理解與掌握的內容。其中，加速度定律是高中物理課程中的一個難點內容，需要教師在教學的過程中著重對于不同外力F 作用影響下的加速度a 進行全面測算，并且通過控制變量法來全面探究a、m、F 之間的關系，即加速度、小車質量、作用力之間的關系[5]。在傳統的加速度測算過程中，是通過打點計時器來進行數據的測算，如圖3。但是需要對于紙帶上點與點之間的距離進行人工測量，而人工測量容易引起一定程度的誤差，這就使得學生在實驗中會因誤差導致難以驗證定律而放棄實驗探究。

圖3 打點計時器參與實驗操作圖

而運用DIS 實驗操作來驗證牛頓第二實驗定律，能夠通過位移傳感器來進行信息的發送與接收，并且通過保持小車的質量不變，通過重物的增加來改變小車質量，從而全面探究實驗中a、m、F 三者之間的關系。最終實驗結果如表2：

表2 小車質量m 一定，加速度a 與外力F 的關系數據

總的來看，目前DIS 實驗最大的應用優勢便是用傳感器代替了原來的打點計時器，并且在快速的數據測算中實現了小車加速度的全面測算。在該內容教學過程中，DIS 實驗能夠節省大量計算的時間，并且能夠根據實驗數據繪制擬合的圖像，以此來更加直觀地觀察相應的實驗結果，從而更好地進行相關理論與觀點的驗證與分析[6]。

4 DIS實驗在高中物理力學教學中的設計與應用策略

DIS 實驗在應用的過程中，能夠有效提升整個實驗中數據測算的運算效率，并且全面提升整個實驗總數據的精準性，從而簡化數學計算過程，提高教學效率。在如今智能化信息時代不斷發展的背景下，我國高中物理教師能夠在實驗教學的過程中充分利用DIS 實驗開展教學，從而全面保證物理力學實驗的教學實效性。

4.1 智能模型建構，完善實驗設計

在高中物理實驗的設計與應用中，DIS 能夠通過智能化的模型建構來提高整個實驗的運作效率。例如在彈簧彈力實驗中，DIS 實驗能夠打破傳統的教育形式，實現智能化的模型建構，從而完善實驗設計呈現的方法。該實驗中，學生既能夠通過傳統的刻度尺記錄形變數據，并且在手動錄入數據后生成最終的動態變化曲線，也能夠通過力傳感器以及位移傳感器來共同記錄相應的形變情況[7]。可以說，DIS 實驗能夠以一種高效率的智能模型來完善整個實驗設計過程，豐富了我國目前物理教學實驗的方法與計算方式，從而促進學生個體的物理實驗問題解決能力的全面提高。

4.2 科學合理應用，教學漸進引導

教師不能因為DIS 實驗能夠提高實驗的運算效率而將最終的實踐數據與結論強塞給學生，學生實際的動手操作過程不能被替代，這就需要對于DIS 的實驗資源進行科學合理的應用，并且通過循序漸進的引導方式來實現相應的教育教學。例如在物體實現平拋運動的實驗教學中，需要教師提供給學生相應的模板、小球、砝碼、白紙等傳統的實驗器具，以此來鼓勵學生主動設計實驗方案。而學生在操作的過程中容易受到外界人為因素以及客觀因素的影響，使得最終的實驗數據容易出現較大的數據誤差，影響最終的實驗結論。在學生實驗中出現問題時，教師再采用相應的DIS 實驗來進行教學，就可以針對學生實驗過程中存在的問題進行分析，從而加強學生的記憶深度。這樣就在科學合理利用實驗資源的基礎上實現了漸進性教學，從而能夠促進物理課堂教學質量的全面提升。

4.3 資源優化整合，實驗整體優化

在DIS 實驗應用的過程中，需要對相應的實驗資源進行整合優化，從而現在資源整合優化的過程中優化物理教學方案，全面推進物理教學質量的全面提升。一方面，在DIS 實驗應用的過程中，需要全面提升相應的數據采集的自動化功能，例如采用傳感器來進行實驗裝置與計算機的連接，從而通過數據的自動化收集來提高數據采集的效率。另一方面，需要強化計算機的圖像信息呈現功能，鼓勵學生參與圖像信息的分析工作，從而基于實驗中動態變化的數據，記錄不同運作狀態下物理變量的變化，更好地推進利用計算機資源來實現輔助性學習的進程[8]。可以說，在如今信息化時代發展的過程中，我國高中物理教學也需要順應物理教學的信息化進程，在教學活動中更好地實現資源整合以及實驗方案的優化，從而切實提高物理實驗的教學水平。

5 結語

綜上所述，與傳統實驗類型相比，DIS 實驗能夠在研究的過程中提高數據測定與計算的精準性，并且通過可視化的數據動態變化來進行實驗數據的反映，更好地提高物理實驗中的實驗效率。因此，我國在未來DIS實驗的教學中，可以通過資源的優化整合來開展實驗設計，全面提高物理實驗教學的有效性。