高中物理DIS實驗教學在高一力學教學中的實踐模式探索

摘 要：高中物理作為高中階段的重要學科，力學知識是學生物理學習的難點，也是教師教學的難點。DIS實驗作為一種先進的實驗手段，能有效突破力學教學中的難點問題。在新課程改革的背景下，DIS實驗方法在高中物理力學教學中得到廣泛應用，有助于提升學生物理學習能力和綜合素養。在此基礎上，文章探索了高中物理DIS實驗教學在高一力學教學中的實踐，旨在深化學生對力學知識的理解，提升學生的物理探究能力和物理核心素養。

關鍵詞：高中物理；DIS實驗；力學

隨著新課標和新高考改革的深入推進，高中物理實驗教學面臨著更高的要求。然而，當前高中物理實驗教學現狀卻呈現出一些不盡如人意的情況，一方面，實驗教學往往過于程序化，學生缺少對實驗原理的深入理解和探究，導致在實驗數據處理時困難重重；另一方面，實驗教學效率低下，課堂上往往只有少數學生能夠親自動手進行實驗，而大多數學生則成為實驗的旁觀者。這樣的實驗教學現狀不僅難以滿足新課標對培養學生科學素養和創新能力的要求，更難以適應新高考對學生實驗能力和實踐能力的考查。因此，探索和實施DIS實驗教學成為解決這些問題的有效途徑。

一、DIS實驗和DIS實驗教學

DIS實驗系統，全稱“Digital Information System”。該系統依托20世紀末至本世紀初的前沿科技，將現代電子設備與實驗教學相結合，為教育領域帶來了革命性的變革。DIS實驗系統主要由傳感器、數據采集器和圖形計算機組成，傳感器能實時采集多樣化實驗數據，如電流、電壓、位移等，并轉化為電信號；數據采集器連接傳感器和計算機，負責數據轉換和分析，最多可同時接插四種傳感器；圖形計算機通過專業軟件，實時顯示數據、繪制曲線圖、分析數據，極大便利了實驗教學[1]。這些設備共同構成了一個高效、精準的實驗數據獲取和處理系統。

DIS實驗教學借助這些現代化設備，實現了實驗信息的快速、準確、動態采集和實時數字化顯示，使得實驗教學更加直觀、生動和高效。這種教學模式不僅提高了學生的實驗技能，還培養了學生的科學素養和創新能力，為培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才提供了有力支持。

二、DIS實驗教學的優勢

（一）創造全新的學習環境，深化學習體驗

DIS實驗教學能夠創造全新的學習環境，對于提升學生的學習體驗具有顯著影響。傳統實驗教學往往受限于實驗器材、場地等因素，使得實驗過程顯得較為單調和局限。而DIS實驗教學通過引入數字化、信息化的手段，打破了這些限制，為學生提供了更加廣闊、靈活的學習空間。在DIS實驗教學中，學生能夠通過計算機、傳感器等現代化設備，親身體驗物理現象的變化過程[2]。數字化實驗系統能夠實時采集、處理和分析實驗數據，使得實驗結果更加直觀、生動。學生通過觀察實驗數據的動態變化，深入理解物理概念和規律，增強學習的趣味性和互動性。此外，DIS實驗教學還能夠為學生提供個性化的學習支持，系統根據學生的學習情況和興趣點，推薦適合的實驗內容和難度，使得每名學生都能夠得到適合自己的學習體驗。

（二）引入探究工具，提升探究能力

DIS實驗教學提供的數字化實驗設備，特別是實時動態顯示物理量的功能，為學生培養探究能力提供了強有力的支持。在傳統實驗教學中，學生往往需要手動記錄實驗數據，再進行后期處理，這種方式不僅耗時，而且容易出錯。而在DIS實驗教學中，傳感器能夠實時采集數據并通過軟件界面動態顯示，讓學生能夠直觀地觀察到物理量的變化過程，極大地提高了實驗的實時性和準確性。這種實時動態顯示的功能，使得學生能夠在實驗過程中快速獲取反饋，及時調整實驗方案，更深入地理解物理現象和規律。學生不再是被動地接受知識，而是能夠主動參與到實驗過程中，通過實際操作和觀察，發現問題、解決問題，培養獨立思考和探究問題的能力。

（三）優化實驗教學，高效利用資源

DIS實驗教學通過數字化、信息化的手段，極大地提升了物理實驗教學的效率[3]。數字化實驗設備具有高精度、高穩定性等特點，能夠確保實驗數據的準確性和可靠性。數字化實驗軟件能夠快速處理和分析實驗數據，并生成實驗報告和圖表等成果，減少了教師的工作量和學生的學習時間。數字化實驗平臺能夠實現遠程教學和資源共享，使得實驗教學更加靈活和便捷。此外，DIS實驗教學還能夠優化資源配置。通過數字化實驗平臺，學校能夠合理配置實驗資源，避免資源的浪費和重復建設。同時，數字化實驗平臺還能實現實驗資源的共享和遠程訪問，使得更多的學生能夠享受到優質的實驗教學資源。

三、DIS實驗教學在高一力學教學中的實踐模式

（一）“概念—原理”模式——深化理解，探索本質

“概念—原理”是一種通過實驗引導來深化學生物理概念認知的DIS實驗教學模式，它借助實際操作幫助學生掌握物理概念的核心意義及實驗背后的理論基礎，確保學生能精準把握實驗的關鍵

點[4]。該教學流程包括四個步驟：概念解析、深化提問、動手實驗、原理感悟。

以魯科版高中物理必修1“瞬時速度測量”相關內容教學為例，這一概念涉及物體在特定時刻或位置的速度測量。教學可始于對平均速度的探討，提出啟發性問題，如縮小表示平均速度的位移與時間意味著什么？當這些變量趨近于零時，又暗示了什么？這樣的問題旨在激發學生通過實驗去探究公路車輛瞬時速度測量技術的奧秘。具體實驗實踐流程為：首先，在實驗軌道一端安裝光電門傳感器并與數據采集系統連接；接著，使用配套軟件選擇“瞬時速度測量”項目；配置小車攜帶擋光片，啟動數據記錄功能，令小車自同一起點靜止釋放下滑，通過光電門的瞬間即可獲得其瞬時速度。擋光片寬度（Δd）預設四檔標準值，分別是0.080米、0.060米、0.040米、0.020米，也可按實驗需求調整。此過程不僅展示了光電門的運用，還暗含了分體或一體式位移傳感器測量瞬時速度的通用原則——即在極短時間內位移與時間比值的測定。

學生通過此類實驗活動，需在解決問題的實踐中逐步理解實驗原理，這不僅要求理解物理知識的本質，更促使其發展觀察現象、邏輯推導及洞察本質的綜合能力。實驗探究不僅加深了學生對瞬時速度等概念的理解，還促進了想象力、邏輯推理技巧以及從表面現象探尋深層規律能力的全面提升。

（二）“設計—探究”模式——自主設計，探究新知

“設計—探究”模式是一種旨在促進學生主動思考與實踐的DIS實驗教學模式，強調學生依據特定問題進行預測、獨立規劃實驗方案，并設定評價標準。此模式的優勢在于，它鼓勵學生在自我驅動下監督實驗進展，適時調整策略。其執行步驟依次為：問題確立、假設構建、實驗方案設計、動手實驗以及數據分析與評價。

以魯科版高中物理必修1“在合力恒定時，加速度與質量關系”相關知識教學為例。核心問題是：當作用力維持不變時，質量的增減如何影響物體的加速度變化？初步理論分析提示，質量增加導致物體更難以加速，暗示加速度與質量可能呈反向相關。基于此，學生形成假設：在恒定外力作用下，加速度與質量成反比。接下來，實驗設計環節采用“朗威”數字化實驗平臺，精準測量力的大小、小車質量，并利用速度－時間（v-t）圖來確定加速度a。實驗設計包括五組不同質量的小車測試，每組實驗記錄相關數據，以構建a與M之間的關系圖。具體操作如下：首先，將分體式位移傳感器的發送端安裝至小車上，接收端穩固于軌道末端，通過調整軌道上的滑輪確保細繩與軌道平行，加載細沙以提供恒定拉力，啟動記錄功能后釋放小車使之沿軌道運動。隨后，利用計算機對收集到的數據進行處理，繪制v-t圖以提取加速度值，并在改變小車質量后重復上述過程，最終通過計算機生成a與M的圖形關系。在數據分析階段，初始的a-M圖呈現非線性特征，提示兩者間關系可能涉及復雜函數類型。鑒于先前的反比假設，學生嘗試通過構建a與M的倒數（1/M）的圖像，成功揭示了兩者間的直接正比關系，證實了加速度與質量的倒數成正比的物理定律。

通過“設計—探究”模式，每位學生在動手實驗的過程中不僅驗證了科學原理，而且學會了如何從問題出發，通過合理假設、嚴謹實驗設計直至數據分析，這一系列科學探究的核心技能。這樣的學習過程不僅提高了學生解決實際問題的能力，也提升了學生學習主動性和綜合素養。

（三）“方法—突破”模式——創新方法，突破難點

“方法—突破”模式在DIS實驗教學中，強調通過科學合理地選擇實驗方法，來突破學生在實驗過程中可能遇到的思維定式和重難點[5]。該模式鼓勵學生從實驗目的出發，引申出具有挑戰性的問題，并自主選擇和運用有效的實驗方法。通過實驗操作，學生不僅能夠解決問題，還能在實驗過程中感知物理規律，激發學生學習物理的主動性和創造性。

例如，在魯科版高中物理必修1“加速度測定”相關知識點的教學中，教師可先設置一系列引導性問題：“如何準確測量加速度？所需的實驗設備有哪些？采取何種策略來完成測量？”促使學生基于對加速度概念的認知及勻加速直線運動規律的理解，提出多樣的實驗方案——直接計算某段位移內的初末速度差與時間的關系，或者通過繪制速度—時間（v-t）圖來間接求得加速度。在第一種方法中，實驗步驟涉及配置實驗裝置，確保光電門傳感器與數據采集系統有效對接，并精確測量兩光電門間距L。隨后，使小車在軌道上受恒定拉力作用做勻加速直線運動，記錄下小車通過兩個光電門時的速度v1與v2，再依據勻加速運動的基本公式計算得出加速度值。第二種方法則轉向了現代技術的應用，即安裝分體式位移傳感器與數據采集器相連，同樣條件下讓小車勻加速行駛，但這次是通過電腦軟件對收集到的數據進行處理，生成v-t圖，從圖中直接讀取或通過曲線擬合計算加速度。

兩種實驗途徑證明，依據實驗條件和理論基礎的不同，選擇不同的策略來測定加速度，教師在其中扮演引導者角色，鼓勵學生自主探索，這一做法極大地提升了學生的思維靈活性和問題解決的能力，同時激發了學生的學習主動性和創新意識。通過這種“方法—突破”模式，學生不僅學會了在實驗中靈活運用知識，更重要的是，學會了在面對復雜問題時，勇于挑戰既有觀念，創新思維，尋找最適合的解決方案。

（四）“生活—建模”模式——聯系生活，構建模型

“生活—建模”模式是一種將日常生活現象提煉轉化為物理模型的DIS實驗教學。該模式通過將學生的日常生活體驗與物理實驗相結合，借助多樣化實踐活動搭建模型，有效促進了從生活實例到物理理論模型的自然過渡，極大地增強了學生的模型建構能力。整個操作流程包括生活現象與物理知識的鏈接、動手實驗、模型構建及實驗性感知。

以魯科版高中物理必修2“過山車模型實驗”相關知識點的教學為例，教學活動巧妙融入學生乘坐過山車的生活體驗，將二維運動傳感器在軌道上的行為比喻為過山車的運行。實驗具體步驟包括：先將二維運動傳感器的接收端固定于鐵架臺上，與軌道垂直對齊，并與計算機相連。隨后，開啟傳感器發射端并置于軌道最低點，通過“零點設置”校準坐標起點，開始記錄數據。實驗通過在不同位置靜置釋放發射端，使之沿軌道完成圓周運動，系統自動追蹤并記錄其軌跡。實驗中，通過調節發射端的起始高度，探討完成完整圓周運動的條件限制。學生在教師指導下，對比分析不同釋放高度下所得數據點分布圖，構建過山車模型，領悟完成過山車最高點圓周運動所需的最小速度原理。

通過在真實生活場景中嵌入物理問題，不僅使DIS實驗教學變得更加生動有趣，也促使學生在解決實際問題的過程中深刻把握物理概念，有效提升將抽象理論模型化的能力。這種教學模式不僅加強了理論與實踐的結合，還促進了學生對物理世界的直觀感受與深刻理解，激發了探索未知的欲望，全面提升個人的科學素養與創新能力。

結束語

DIS實驗教學在高一力學教學中的應用，顯著地優化了學習環境和提升了學習體驗。它不僅將抽象的力學原理轉化為具體的實踐操作，讓學生能夠在親手操作中深化對力學知識的理解，更通過引入先進的探究工具，培養了學生的科學探究能力和解決問題的能力。此外，“概念—原理”“設計—探究”“方法—突破”以及“生活—建模”這四種實踐模式，不僅豐富了教學內容，也使學生能夠在多樣化的學習活動中，逐步構建起完整的力學知識體系。因此，DIS實驗教學無疑是高中物理力學教學中的一大亮點，其帶來的積極影響值得在今后的教學中繼續深入探索和實踐。

參考文獻

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