DIS實驗在高中物理教學中的應用

江瑩

物理學科是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學作為物理學習的重要組成部分，在教學活動中發揮著重要的意義與作用。長期以來，傳統的實驗方式在教學中居于主導地位，教師演示實驗、學生分組實驗的形式較為常見，然而這種實驗教學模式容易導致實驗教學耗時長、程序固化，難以提高學生的主動性與創造力，與新課程改革下的教育理念相悖。隨著社會的進步與科學技術的發展，教育資源在不斷更新中實現突破，教育觀念在創新中迎來了新發展，其中物理實驗的重要性得到更大的肯定，高中物理課程標準更是提出“重視將信息技術應用到物理實驗室，加快中學物理實驗軟件的開發和應用”。由此可見，科學技術在物理實驗教學中的應用是大勢所趨，其中以傳感器為主的數字化實驗（DIS）最早在上海市的學校應用推廣，取得了比較理想的教育成果。作為物理學科的教學者，應當緊跟時代的腳步，應用新技術，深入認識和理解DIS資源，挖掘DIS資源應用的優勢，并遵循合理的原則，踐行科學的路徑，使其更好地在教學實踐中得以推廣，讓高中物理實驗教學綻放新光彩。

一、DIS實驗在高中物理教學中應用的意義與作用

（一）能夠有效提高物理實驗數據采集效率

在傳統的高中物理實驗教學中，實驗過程耗時長，諸多人為因素的干擾容易導致教學效率低、效果不理想，同時在實驗中對大量的數據進行分析與研究也存在一定的困難。導致物理實驗對不少學生而言存在著“形式大于意義”的問題，難以推動學生的思維活動向更深處拓展。針對這一問題，DIS實驗的應用與推廣就顯得尤為重要，教師可以在實驗教室中通過計算機和相應的數據處理軟件建立數字實驗室，從而提高實驗室內數據收集和計算的效率。DIS實驗在很大程度上排除了人為因素的干擾，通過傳感器實現數據信息的采集，也可以對實驗中的大量數據進行高效率分析與研究，學生能夠從智能化的信息分析系統入手進行觀察，在一定程度上打破學生的僵化思維，實現學生自主學習能力的切實性提升。

（二）有利于保證實驗數據和計算結果的準確性

高中物理實驗教學的質量在一定程度上也是由實驗器材所決定的，然而部分實驗設備容易在長期使用過程中出現損耗，對實驗結果產生一定的影響。以“力學實驗”為例，其中彈簧秤、刻度尺等屬于易消耗的實驗器材，很有可能因為長期使用而影響實驗結果，既無法為學生呈現一個較為“完美”的實驗結果，還可能使學生的理解與思考產生誤區。而DIS實驗則更多依靠傳感器采集實驗數據，其應用與推廣可以在一定程度上改變這一現狀，保證了實驗結果的準確性。

（三）提高學生學習效率，促進學習能力持續發展

在傳統的高中物理實驗教學中，教師要時刻關注學生的注意力情況，并引導學生進行深入思考與學習，而DIS實驗的應用正好順應了這一教學要求。首先，DIS實驗與傳統的實驗模式相比具有真實性與生動性的特點，這些特點在很大程度上滿足了學生的好奇心，調動了學生的學習熱情，有利于學生集中注意力，提高課堂學習效率。比如，在教師進行“作用力與反作用力”相關的演示實驗時，學生可以清晰地通過多媒體設備感受到其大小、方向的特點，在形成深入理解的同時，更渴望深層探究，從而實現從“被動接受”到“主動探索”的思維轉變。另外，DIS實驗能夠全方位、多角度分析與處理問題，幫助學生擺脫思維桎梏，真正將所學知識內化于心，能夠針對不同問題的要點進行靈活應用。以“測量重力加速度”的演示實驗為例，DIS設備可以根據這一實驗設計出四種方法，包括位移傳感器測定法、光電門傳感器測定法、光電門傳感器單擺測定法、二維傳感器平拋運動測定法。這四種方式在設備、操作、原理等方面既有聯系又有不同，教師可以根據學生的具體學習情況更有針對性地展開教學活動，促進其學習能力的持續發展。

二、高中物理DIS實驗的教學原則

（一）簡單性原則

在DIS實驗開展過程中，無論是探尋現象還是驗證規律，教師都應在設計物理實驗時遵循簡單性原則。簡單性原則要求物理實驗的目的清晰明確，方案盡可能簡單便捷，器材盡可能操作方便，只有這樣，學生的畏難情緒才能逐漸消除，避免部分學生因為個人能力不足而過度依賴教師的幫助，或者出現在小組實驗中“等結果”的現象，確保每一個學生對實驗有熱情、有信心，讓DIS實驗的應用真正取得應有的成效。

（二）直觀性原則

在新課程改革的背景下，以人為本的教育理念深入人心，體現在教育活動的方方面面，物理實驗的教學活動自然也需要保障學生的主體地位。教師要清楚地認識到高中階段學生的思維特點，以形象思維為主，抽象思維的發展有待成熟。相較于傳統實驗模式，DIS實驗的最大特性之一就在于學生可以從計算機屏幕上直觀地感受規律建立的過程，因此教師要充分發揮DIS實驗的這一優勢，確保實驗教學的直觀性，但切勿由于一味地追求新穎而將原本簡單的實驗復雜化。DIS演示實驗為學生創設了一定的學習情境，因此教師也需要在實驗演示的過程中將直觀的結果清晰地呈現給學生，確保學生真正理解與掌握。

（三）切適性原則

在DIS實驗推廣與應用中，教師需要始終堅持以課程標準理念作為支撐，但是這并不意味著教師要全部摒棄傳統的教學理念與方法，而是真正做到取其精華、去其糟粕。教師要遵循切適性原則，以順應課程改革中應用現代科學技術理念，在條件合適的情況下，盡可能多地用DIS實驗演示，但是教學設計要遵循學生的學習規律與需求，讓實驗為授課服務，要恰到好處。

三、DIS實驗在高中物理教學中的應用路徑

（一）立足常規實驗，進行優勢互補

長期以來，常規物理實驗作為一種重要的教學方法，在教學活動中發揮了重要作用和意義。目前，每所高中都有專門的物理實驗室和全套教學設備，教師在傳統實驗教學方面擁有豐富的經驗。然而，傳統實驗依然存在著一些缺點，如操作過程繁瑣、數據處理時間長、數據不準確、實驗誤差大等，這些都會對學生的學習產生一些影響。在此基礎上，教師可以利用傳統實驗的優缺點，如數據準確性、處理速度、實驗結果可視化和易用性，將DIS實驗與傳統實驗相結合，推動教學效率與成果的雙重提高。

比如，在高中物理實驗“電阻定律”的實驗教學中，實驗所使用的器材依然為常規實驗中出現的滑動變阻器、學生電源、合金絲等，但是教師可以將常規實驗中的電流表與電壓表替換為DIS設備中的電流傳感器與電壓傳感器，并將其連接在數據采集機及計算機上。在這一實驗設計中，無論是實驗原理還是方案都與傳統的常規實驗相同，但是DIS技術的應用改變了傳統讀取電流表與電壓表的方式，而是通過傳感器和數據采集器讀取電流表與電壓表的數值，在保證數據讀取準確性與精準性的同時，大幅縮短了讀取數據所需要的時間，從而在很大程度上達到減少實驗誤差的目的，確保導體電阻與長度以及截面積之間比例關系的可靠性。再如，在“測量電器的電容”這一實驗教學中，如果學生想要運用常規的實驗方法測量電容器的帶電量是一件比較困難的事，但是如果教師采用DIS技術中的整合模式，這個問題便可以迎刃而解——將電壓傳感器并聯到電阻器兩端，并通過數據采集器連接到計算機上，在實驗過程中，通過對電容器的充電后放電，借助DIS軟件進行計算，就可以輕松算出電容器的電容。

總而言之，這兩個實驗都立足于常規實驗，通過取長補短的方式實現了優勢互補。常規實驗器材的應用加深了學生的認識與理解，DIS技術的引入則改變了數據測量不準的難題，讓高中物理實驗教學迎來新的發展機遇。

（二）著眼實驗難點，實現逐步改進

在DIS技術應用的過程中，并非所有傳統常規實驗都能夠與DIS技術進行直接整合，針對這一問題，教師可以根據實驗特性以及實驗中存在的重難點，就常規實驗中的器材或原理進行適當改進，并在此基礎上運用DIS設備采集和處理數據。傳統常規實驗中較為棘手的點往往包括以下幾個：所需物理量無法通過實驗器材進行測量；實驗原理的理解難度較大；實驗測量過程難以控制，實驗誤差較大。

首先，針對所需物理量無法通過實驗器材直接測量的情況，就可以應用DIS傳感器來測量，將傳統實驗中間接測量方法轉變為直接測量。牛頓第三定律在初中階段的要求如下，對于相互作用力方面，力的三要素——大小，方向，作用點，對于等大的特點沒有做定量的實驗，可以初步用對拉彈簧測力計的實驗進行證明。課標也沒有提出具體要求。而到高中階段，考題中經常出現有關相互作用力的考查，課標沒有提出具體要求，僅在“相互作用與運動定律”方面提出通過實驗，了解力的合成與分解，知道矢量和標量；能用共點力的平衡條件分析生產生活中的問題。所以學生對相互作用力這方面的理解其實只是停留在死記硬背上，并不能真正的領會，作為實驗學科，通過實驗探究得出結論是最好的方法。此時利用DIS實驗能夠通過數據圖表把相互作用力時時刻刻所對應的大小關系呈現在學生面前，實驗操作方面我們可以連接力傳感器，這樣通過圖表，可以感受到相互作用力的大小是相等的，那么這方面的重點和難點就能突破，使學生切實感受相互作用力的大小相等這個特點。

其次，在傳統的物理實驗教學中，一些物理量是依據實驗測量數據并利用物理原理計算得到的，不少學生對其中的物理原理存在著一定的理解困難，導致實驗教學效率低下、成果不佳。針對這一情況，DIS的引入可以改變測量方法，從而改變實驗原理，讓學生的理解與思考更輕松。在自由落體運動的教學過程中，傳統的實驗用打點計時器測出位移，然后通過運動學的公式進行分析和運算得出它是勻加速直線運動，進而得出自由落體運動的相關規律。那么如果能用DIS系統和位移傳感器，擬合成位移時間圖像，就可以得到二次函數的關系。如果能夠對擬合的二次函數進行求導，那么導出的圖線為直線，這就直接可以得出速度與時間的線性關系，其斜率就是物理運動的加速度。這樣簡化了實驗步驟，也利于學生理解和感受自由落體運動的規律。

最后，在傳統的常規實驗教學中，有的實驗方法過于理想化，存在測量不夠全面、過程不易控制、測量誤差較大等多種問題。而DIS技術的應用則能夠解決這些問題，為實驗“保駕護航”。以高中物理實驗“用彈簧測力計測量滑動摩擦力”為例，在傳統的實驗過程中，彈簧秤的讀數往往難以控制，測量過程較不穩定，導致實驗結果出現誤差。DIS技術的應用則可以將彈簧測力計改變為力傳感器，從而獲得更穩定可靠的滑動摩擦力數據。

（三）整合教學資源，實現整體優化

在DIS技術的應用實踐中，作為高中物理教師，需要對相應的實驗資源進行優化與整合，并在此過程中不斷改進物理實驗教學方案，最終實現教學效率與成果的雙重提升。

首先，在DIS實驗過程中，盡可能從全方位、多角度來強化數據采集的自動化功能，比如，可以通過傳感器實現裝置與計算機之間的連接，并利用自動化收集數據來提高數據采集效率。其次，在DIS技術應用的過程中，要注意強化計算機圖像信息的呈現功能，調動起學生的好奇心與求知欲，提高他們的參與度，引導學生參與圖像信息的分析工作，讓計算機資源發揮輔助性作用，推動學習進程?？梢哉f，在信息化時代的背景下，物理實驗教學也應當順應時代發展的腳步，彰顯信息化特色。DIS技術在物理實驗教學中的應用，對師生雙方而言既是學習與發展的機遇，也是面臨的挑戰，只有在教學設計中合理整合教育資源，并致力于推動整體性優化，DIS技術才能在實驗過程中更好地發揮作用，取得更理想的成果。

四、結語

DIS技術的出現有利于提高實驗數據采集的準確性與效率，推動學生學習能力的發展?；诖?，作為教育教學者，應當在DIS技術應用的過程中遵循簡單性、直觀性與切適性原則，通過優勢互補、改進重難點、整合教學資源、推動整體優化等策略，讓DIS技術真正在物理實驗中發揮奇效。

注：本文系福建省教育科學“十四五”規劃2022年度“協同創新（含幫扶項目）”專項課題“新課程標準視域下初中物理DIS資源的開發和應用”（課題立項批準號：Fjxczx22-247）的研究成果。

（宋行軍）