基于DIS培養學生課堂核心素養

丁宗星

(福建師范大學平潭附屬中學 福建 福州 350401)

隨著信息快速發展，信息與教育融合成為一種必然的發展趨勢．DIS系統以及配套軟件將物理情景與數據信息緊密地結合在一起，在教育領域中作為教育教學測量工具，已被廣泛應用在各學科實驗探究采集數據以及數據處理，然而大部分教師沒有充分利用DIS系統用于教學演示，課堂欠缺數據信息化元素，造成教學資源的浪費，因此如何充分利用DIS系統致力于實驗物理教學的相關研究成為廣泛討論的問題．

本文結合實際課堂教師演示實驗，提出簡單、易于操作的實驗方案，借助DIS系統在高中物理實驗教學中的實驗數據測量應用進行了案例分析，希望能夠激勵更多的教師在課堂教學中使用DIS系統，充分體現信息化教育，勇于打破傳統，大膽提出有創意、又簡單可行的實驗方案，促進實驗教學和情景教學．

1 物理實驗DIS系統組成

DIS系統全稱數字化信息系統，而物理實驗DIS系統主要圖形計算器實驗系統儀器和計算機輔助實驗儀器構成．物理教學通常使用計算機輔助實驗儀器，其中包括計算機、測量傳感器、數據連接線和計算機軟件[1，2]．

2 物理實驗DIS系統的測量傳感器

高中物理實驗DIS系統的常見測量傳感器主要有位移傳感器、聲波傳感器電學、電學傳感器、力學傳感器等等，本文主要涉及到的傳感器是電學傳感器用于間接測量原電池相關的電學參量[1，2]．

2.1 電腦軟件安裝

通過相關步驟安裝DISLab 8.0 軟件，當正確安裝完軟件后，在電腦桌面上出現如圖1所示的軟件快捷方式．然后雙擊該軟件彈出軟件首頁面，選擇相應的通用軟件模塊并點擊．

圖1 DISLab 8.0簡單介紹

2.2 數據采集步驟

采集器有4個通道可以同步采集、處理和顯示數據．數據采集器可通過接插有線或無線模塊改變與傳感器的通訊方式，從而實現四路無線采集．本文實驗數據采集器選擇接插有線方式．在點擊通用軟件模塊之后桌面會顯示如圖2所示界面，測量數據之前先對傳感器調零，再點擊計算表格按鈕并點擊記錄開始測量數據，調節外電阻，外電阻每變化一次則點擊測量一組數據，測量大概10組數據就可以結束測量過程[1，2]．

圖2 DISLab 8.0通用軟件模塊

先點擊繪圖按鈕，系統自動彈出橫縱坐標軸，可以選取坐標軸信息，選擇完畢后點擊確定按鈕，此時系統會自動將離散的數據點描繪在系統坐標紙內．再通過點擊擬合按鈕(可以選擇不同的擬合函數)將所測得數據進行圖像擬合,可以直觀得到變化的圖像．

3 DIS系統應用案例與分析

下面以“探究閉合電路歐姆定律”片段教學為例，介紹DIS系統在物理教學中的應用.

3.1 教學內容與學情分析

本片段教學選自魯科版物理必修3第四章第1節．

課標要求：了解電源電動勢概念及物理意義，通過實驗認識閉合電路歐姆定律的表達式，以及公式應用[3]．

結合教材與課標分析：本節課是學生已經學習化學原電池的原理和構造，以及了解用伏安法測量小電阻時應選擇電流表外接法或者試觸法的基礎．利用化學原電池結構簡單、易于測量內部電壓的同時又不破壞原電池的完整性的特點，借助DIS測量系統從更深層次入手，探究原電池內壓和外壓的關聯．通過實際實驗得出閉合電路歐姆定律的定量表達式．該實驗可以科學定量探究閉合電路歐姆定律，以及加強學生對電源外電壓、輸出功率以及效率隨外電阻變化規律的理解，從而引導學生經歷科學思維的過程，樹立正確的科學觀念．

學生已有的知識結構和能力水平：學生在知識上已經學習了形成電流的條件和電流在閉合電路中的流向，掌握了研究電容器充放電的知識，這為科學探究閉合電路歐姆定律的基本過程奠定了一定的基礎.在能力上具備一定的抽象概念的辨析、實驗觀察、數學理論分析和作圖等能力，但學生對于實驗數據處理以及如何運用圖像分析現象存在一定的困難，這需要教師結合實驗與理論，引導幫助學生經歷實驗過程、數據采集以及圖像分析等過程．

3.2 教學目標

通過結合電容器充放電概念和假山噴泉生活經驗，讓學生明白電源電動勢概念以及了解電動勢的物理意義．經歷自我探索和辨析過程，加深對抽象的電源電動勢的理解．通過演示實驗的數據分析，得出化學原電池內壓和外壓之間的定量關系，引導學生得出閉合電路歐姆定律的表達式，提高實驗與理論分析相結合的能力．

3.3 教學策略分析

先結合DIS傳感器與多媒體設備，通過課堂演示實驗，引導學生直觀地觀察到實驗現象，并結合DIS配套軟件現場將所測實驗數據進行處理和擬合，引導學生分析實驗數據變化并結合擬合圖像結果，得出實驗規律．幫助學生完整地經歷探究定量實驗的過程，提高課堂效率，激發學習欲望，提高自主探究物理規律的能力．

3.4 片段教學過程

環節一：實驗演示電路板通過閉合開關實現多個小燈泡與電源并聯.

教師提問：通過閉合或斷開多個開關從而實現小燈泡與電源并聯的個數增加或減小的情況下，請學生們認真觀察電源兩端電壓表的指針偏轉情況并記錄在表格當中，并引導學生發現并聯小燈泡變多的情況下電源兩端電壓變小(“被誰偷走的電壓”)問題.

學生猜想：可能被電源內部偷走．

教師介紹：測量化學原電池電學參量裝置[4～6]，如圖3和4所示.

圖3 實驗器材和化學原電池

圖4 上課現場演示實驗過程

(1)介紹化學原電池正負極板以及用于測量內部電壓的探針片，提醒學生連接電壓傳感器時，測外部電壓和內部電壓順序剛好相反，本實驗裝置需要兩個電壓傳感器U1和U2分別用來測量原電池外電壓和內電壓，還需要一個電流傳感器I3.

(2)連接好電路，通過試觸法發現電壓傳感器數字變化明顯，而電流傳感器數字變化不明顯，從而選擇電流表外接法測量原電池端壓．

(3)通過減小滑動變阻器的阻值，每變化一次測量一組數據，大概測量10組數據．

環節二：實驗探究閉合電路歐姆定律以及電源外電壓、輸出功率、效率隨外電阻變化規律.

教師演示：如圖5所示，將實驗測量數據進行處理，通過點擊計算表格控制菜單欄中公式定義新變量外電阻R、電源電動勢E、輸出功率P、電源效率η．引導學生將實驗測量的數據填入導學案中，讓學生觀察數據分組討論并完成導學案中的問題．

圖5 上課現場測量的數據圖

問題1：原電池的內部電壓和外部電壓之間有什么關系？

學生分析：如圖5所示，通過觀察不難發現新定義的變量E的數值接近2.3 V，從而可以得到內壓和外壓相加的值滿足E=U1+U2=C(定值).

教師演示：通過公式變化將U2=Ir代入可得到E=U1+Ir，為了驗證所測量的實驗數據是否滿足公式，點計算表格控制中的繪圖按鈕，先將數據點離散化坐標紙中，其中橫軸代表電流I3，縱軸代表外電壓U1，再點擊擬合按鈕選擇線性擬合選項就可得到如圖6所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條傾斜的直線跟數據點擬合一致，引導學生總結歸納得出這條直線就是原電池的伏安特性曲線．

圖6 原電池伏安特性曲線圖

學生分析總結：通過擬合得到一次函數表達式，得到閉合電路歐姆定律，也可以通過表達式類比分析橫軸、縱軸以及斜率分別表示電路的短路和開路狀態以及原電池內阻．

問題2：原電池的外電壓隨外電阻的變化規律如何？

學生分析：如圖5所示，通過觀察數據表格發現外電壓隨外電阻增大而增大．

教師演示：為了驗證所測量的實驗數據是否與上述學生分析的結果一致，點計算表格控制中的繪圖按鈕，先將數據點離散化坐標紙中，其中橫軸代表外電阻R，縱軸代表外電壓U1，再點擊擬合按鈕選擇3次擬合選項(三階泰勒展開)就可得到如圖7所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條曲線跟數據點擬合一致．

圖7 原電池外電壓隨外電阻變化圖

學生分析總結：原電池的外電壓先隨著外電阻增大而增大，后面增長趨勢變緩慢最后趨于一個穩定值．

問題3：原電池的輸出功率隨外電阻的變化有怎樣的規律？

學生分析：如圖5所示，通過觀察數據表格發現輸出功率隨外電阻增大先增大達到最大值后再減?。?/p>

教師演示：為了驗證所測量的實驗數據是否與上述學生分析的結果一致，點計算表格控制中的繪圖按鈕，先將數據點離散化坐標紙中，其中橫軸代表外電阻R，縱軸代表輸出功率P，再點擊擬合按鈕選擇3次擬合選項(三階泰勒展開)就可得到如圖8所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條曲線跟數據點擬合一致．

圖8 原電池輸出功率隨外電阻變化圖

學生分析總結：當外電阻等于內電阻時，原電池輸出功率達到最大值．

問題4：原電池輸出效率隨外電阻的變化有怎樣的規律？

學生分析：如圖5所示，通過觀察數據表格發現原電池輸出效率隨外電阻增大而增大．

教師演示：為了驗證所測量的實驗數據是否與上述學生分析的結果一致，點計算表格控制中的繪圖按鈕，先將數據點離散化坐標紙中，其中橫軸代表外電阻R，縱軸代表輸出效率η，再點擊擬合按鈕選擇3次擬合選項(三階泰勒展開)就可得到如圖9所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條曲線跟數據點擬合一致．

學生分析總結：原電池輸出效率先隨著外電阻增大而增大，后面增長趨勢變緩慢最后趨于一個穩定值．

環節三：理論公式推導電源外電壓、輸出功率、效率隨外電阻變化的函數關系式.

教師接著引導：在黑板上理論推導．

(1)原電池電壓外U1與外電阻R的函數為

當R增大時，U1也增大；當R→∞，U1→E；與數值擬合結果幾乎一致．

(2)原電池輸出功率P與外電阻R的函數為

當0

(3)原電池輸出效率η與外電阻R的函數為

當R增大時，η也增大；當R→∞，η→1；與數值擬合結果幾乎一致．

4 評價

本教學案例借助DIS系統中的電學傳感器直觀地測量原電池的電學參量，特別是可以測量內部電壓，實驗裝置簡單易操作，充分體現了信息與教育的融合.通過課堂演示增強學生對自主探究實驗的興趣，有助于激發學生的學習興趣，結合DIS配套軟件將實驗所測得數據進行實時擬合，生動形象地展現了物理過程的變化規律，極大地提高了學生對實驗數據處理以及分析能力，充分展現物理情景，激發學習欲望，培養學生自主探究物理規律的核心素養．

5 總結

本文結合實際課堂教師演示實驗，提出簡單、易于操作的實驗方案．借助DIS系統在高中物理實驗教學中的實驗數據測量應用進行了案例分析，希望能夠激勵更多的教師在課堂教學中使用DIS系統，充分體現信息化教育，大膽提出有創意、又簡單、易于操作的實驗方案，促進實驗教學．充分發揮DIS系統優勢與高中物理實驗深度融合，提高教學效率．

6 展望與建議

高中物理實驗教學有助于培養學生的觀察分析能力和探究物理規律能力．結合DIS系統中傳感器采集數據，充分體現課堂信息化元素，而實際課堂教學中演示實驗的機會少之又少，因此教師應該重視物理實驗教學的重要性，想方設法讓學生體驗真實物理情景，借助信息化工具與真實物理情景教學的深度融合激發學生探究規律的欲望．