ＤＩＳ數(shù)字實驗系統(tǒng)在物理教學(xué)中的作用

【摘要】DIS實驗系統(tǒng)在教學(xué)中能夠形象展示物理量的變化過程，利于理解物理概念、分析物理過程，能夠節(jié)省更多的時間讓學(xué)生用于質(zhì)疑和自主研究，同時也激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生新的發(fā)明創(chuàng)造的靈感。

【關(guān)鍵詞】DIS實驗系統(tǒng)；物理概念；物理過程；探究教學(xué)；創(chuàng)新因子

【中圖分類號】G40–057 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 06—0046—04

新課程教學(xué)改革在風(fēng)風(fēng)雨雨中走過了七年，學(xué)生充分發(fā)揮著新課程賦予的自主權(quán)利，教師的教學(xué)手段百花齊放，教學(xué)風(fēng)格幾乎脫胎換骨。而DIS數(shù)字實驗在教學(xué)中的逐步滲透又將物理教學(xué)改革推上一個新的臺階?！痘A(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》要求：課程改革要“大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合”?！镀胀ǜ咧?8226;物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗室……諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果等”[1]?，F(xiàn)行高中物理教材的許多地方介紹了用傳感器進(jìn)行的物理實驗。在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)引入課堂教學(xué)，對新課程的教學(xué)改革起到很大的促進(jìn)作用。就DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)在課堂教學(xué)中發(fā)揮的積極作用談點個人的思考。

一 形象展示動態(tài)過程，利于理解物理概念

理解現(xiàn)象需要一定的情景，在情境中，學(xué)生根據(jù)情景的再現(xiàn)來觀察事物的現(xiàn)象，通過現(xiàn)象的分析與思考，從而為建立相應(yīng)的物理概念提供經(jīng)驗基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法與實驗難以再現(xiàn)相關(guān)的物理現(xiàn)象與過程時，運用DIS實驗創(chuàng)設(shè)問題情景，可以為學(xué)生展示事物的本質(zhì)。

例如，在交流電的教學(xué)中，有效值概念的理解往往成為空洞的說教，其定義為“如果某直流電流I通過一個電阻發(fā)出的熱量與交流電在相同時間內(nèi)通過同一電阻所發(fā)出的熱量相同，我們就說這個交流電的有效值為I”。學(xué)生對交流電有效值的理解只是機械的語言記憶，它的物理意義并不能深刻體會，常規(guī)的實驗儀器也無法給學(xué)生以直觀的感受，但利用DIS實驗卻可以將有效值的真正意義形象地展示給學(xué)生。

用兩只電流傳感器分別與兩只完全相同的小燈泡串聯(lián)，實驗電路如圖1所示。調(diào)節(jié)兩個燈泡達(dá)到相同亮度——表示相同的功率（燈泡亮度較弱時用眼睛即可判定功率是否相同），此時記錄下電流隨時間變化的I－t圖線，如圖2所示。實驗圖線清楚地記載著兩燈泡具有相同熱功率時的電流時間圖線，曲線表示最大值約為0.4A的交流電，直線表示恒為0.275A的直流電。通過該實驗的演示，雖然還不能得到交流電的最大值與有效值的定量關(guān)系，但可以形象表達(dá)交流電有效值的意義，對于后面建立“正弦交流電的電流最大值是有效值的 倍”的關(guān)系將留下深刻的印象。

可以看出，充分發(fā)揮DIS實驗自身的優(yōu)越性，為學(xué)生快速展示事物的本質(zhì)，可以讓他們思考問題更具方向性，抽象的物理概念也就變得更形象，變得更容易理解了。

二 數(shù)據(jù)處理能力強大，利于分析物理過程

從教學(xué)實踐過程來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中，往往對物理過程分析不夠全面、完整，眾所周知分析物理過程是物理學(xué)習(xí)過程必須形成的能力之一，否則要真正學(xué)好物理是不太容易的，因此，幫助學(xué)生形成分析物理過程的能力是物理教學(xué)過程中一項重要任務(wù)。物理過程的分析是建立在對物理過程了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以教學(xué)過程中必須向?qū)W生展現(xiàn)豐富多彩的物理過程，讓學(xué)生在認(rèn)識物理過程的過程中逐步形成分析物理過程的能力。DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)通過實時測量記錄數(shù)據(jù)，用圖象來描述瞬間量的變化過程，讓學(xué)生在定性與定量的分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上來認(rèn)識物理過程。

如圖3所示為研究動量變化與沖量關(guān)系的裝置，沖力的作用時間短，且是變力，用常規(guī)的實驗儀器無法測定短時間內(nèi)作用力的沖量。這個實驗通過具體的數(shù)據(jù)與圖表展現(xiàn)了碰撞過程的瞬間變化過程，讓不易觀察的過程形象化，教師可以根據(jù)采集的實驗數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生分析，從而幫助學(xué)生形成碰撞過程中動量變化與沖量的相關(guān)規(guī)律。從表1可以看出，強大的數(shù)據(jù)處理功能讓物理過程中的規(guī)律顯露，這個規(guī)律來自實實在在的原始數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生的深有感觸也就水到渠成。

三 學(xué)生自主時間增多，利于實施探究教學(xué)

課程改革倡導(dǎo)探究式教學(xué)的根本目的是通過探究形成分析現(xiàn)象、分析問題的能力，從而為進(jìn)一步“創(chuàng)造”“新知識”打下良好的認(rèn)識基礎(chǔ)與思維習(xí)慣?！镀胀ǜ咧?8226;物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：高中階段的物理課程要給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機會，讓學(xué)生通過自己思維、動手實驗、查閱文獻(xiàn)等，體驗探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究的能力，增強對科學(xué)探究的理解[2]。教學(xué)實驗中發(fā)現(xiàn)，在實驗探究教學(xué)過程中，實驗探究將占去了大部分時間，根本沒有足夠的時間讓學(xué)生充分自由表達(dá)、質(zhì)疑和提問。但在DIS被引入物理教學(xué)以后，這種情況就變了，因為DIS實驗為我們贏得了時間。實驗證明，用DIS實驗一般只需要30%的時間用于實驗準(zhǔn)備，20%的時間用于數(shù)據(jù)處理，50%的時間可用于探索研究。因此教師完全有充裕的時間用于引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑、提問，從而使得探究式教學(xué)得以順利進(jìn)行。研究電源的輸出功率與外電路電阻的關(guān)系，傳統(tǒng)的處理方法一般是根據(jù)全電路歐姆定律與功率公式進(jìn)行理論證明，當(dāng)外電路電阻等于電源內(nèi)阻時，電源的輸出功率最大。如果改用實驗讓學(xué)生自主探究，一節(jié)課的時間難以完成大量數(shù)據(jù)的采集、運算、分析，也將影響教學(xué)進(jìn)度，因此一般不會選擇探究式教學(xué)。而運用DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗探究，在數(shù)據(jù)的采集、運算、分析均由電腦完成，可以節(jié)省大量時間。在一次教學(xué)過程中，學(xué)生連接電路(如圖5)用9分鐘，采集24組數(shù)據(jù)(如表2)僅用了37秒!設(shè)計函數(shù)計算電源的總功率、電源的輸出功率、電源的效率用了4分鐘，用電腦作圖分析數(shù)據(jù)用了5分鐘。整個實驗在不到20分鐘完成，僅占一節(jié)課的44%。在剩下的大半教學(xué)時間內(nèi)教師引導(dǎo)學(xué)生用來對實驗結(jié)果的理論證明和討論，學(xué)生可以有充分的時間來進(jìn)行思考與理論分析，將實驗探究與理論探究充分結(jié)合起來。我們在教學(xué)過程，讓學(xué)生對圖6、圖7的圖象進(jìn)行分析，學(xué)生從不同角度來應(yīng)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，形成了關(guān)于電源輸出功率與外電路電阻變化的關(guān)系，并對輸出效率有了足夠的理解，對輸出功率與效率關(guān)系得出了的結(jié)論是辯證的，學(xué)生體驗了運用辯證觀念來分析物理問題，這是教學(xué)設(shè)計之初難以想象的。這種方法把學(xué)生的物理學(xué)習(xí)過程，變成了探究過程，在探究過程中實施探究策略。教學(xué)實踐表明，運用DIS實驗輔助教學(xué)不僅僅是贏得了時間，更重要的是學(xué)生能夠充分利用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)探討，在探討過程進(jìn)行思維碰撞形成探究能力。這樣探究式教學(xué)可以高質(zhì)量地順利進(jìn)行，不再成為教學(xué)的一種“雞肋”。

四 傳統(tǒng)向現(xiàn)代化過渡，催生更多創(chuàng)新因子

充分運用DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)有高精確度、高靈敏度、實時測量記錄數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計教學(xué)活動可以幫助學(xué)生對一些生活、生產(chǎn)、自然現(xiàn)象中學(xué)生不易觀察的現(xiàn)象進(jìn)行重新思考與認(rèn)識，從而讓學(xué)生對生活、生產(chǎn)、自然現(xiàn)象產(chǎn)生興趣，為創(chuàng)新提供思想基礎(chǔ)，讓學(xué)生養(yǎng)成遇事就要思考的習(xí)慣，長期的思考習(xí)慣能催生新的創(chuàng)新因子。

例如對跳繩的健身活動，學(xué)生也許不會與發(fā)電機聯(lián)系起來，一方面平常人們是幾乎不用金屬導(dǎo)線跳繩，另一方面電流小。如果教學(xué)活動過程用DIS實驗系統(tǒng)對此進(jìn)行研究必將引起學(xué)生的極大興趣。如圖8所示，用金屬導(dǎo)線作為跳繩，在導(dǎo)線兩端連接微電流傳感器，人面向南或北方向跳繩，觀察繩索在切割地磁感線所產(chǎn)生的電流。由這個實驗的啟發(fā)，有同學(xué)提出可以運用跳繩過程中的感生電流，通過微電流傳感器進(jìn)行自動計數(shù)裝置，可以避免人工計數(shù)的誤差。也有同學(xué)提出可以運用這個實驗來測定地磁場的強弱等等?？傊?，一個不經(jīng)意的實驗教學(xué)不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且更重要的是引發(fā)了學(xué)生的“創(chuàng)造”熱情。

由DIS實驗過程、現(xiàn)象而產(chǎn)生的聯(lián)想是學(xué)生形成創(chuàng)新的源泉，例如學(xué)生在研究氣體在等溫過程中壓強(P)與體積(V)的關(guān)系實驗中，測定了一系列壓強與體積的數(shù)據(jù)，并作出 的圖線。但所有同學(xué)作出的直線并不是他們預(yù)料的通過原點的直線(如圖9)。同學(xué)們提出了各種假設(shè)，有說是誤差，有說氣體在等溫狀態(tài)下就應(yīng)該遵循這樣的規(guī)律……。筆者在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生提出的各種假設(shè)，在課堂上通過合作研究、討論等形式，然后讓學(xué)生代表提出相應(yīng)的解釋，讓其他同學(xué)進(jìn)行質(zhì)疑，種種假設(shè)在不斷質(zhì)疑過程中被否定，最終學(xué)生一致認(rèn)為是由于誤差而造成，并提出如下理論分析與解釋：因圖線在P軸上截距的意義是氣體體積無窮大時的壓強，而氣體體積無窮大相當(dāng)于近似真空，不可能有壓強，因此應(yīng)該是誤差。原來造成誤差的原因是注射器與壓強傳感器連接管的體積沒有考慮(如圖10)。為了證實他們的猜想，讓直線能通過坐標(biāo)原點，將體積加上不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，當(dāng)每個體積均加1ml時，直線通過了原點(如圖11)。由此啟發(fā)，同學(xué)們提出，可以用這種原理測定不規(guī)則外形微小固體的體積。方法是：取待測物體放在容器中(如注射器中)，測定恒溫下氣體的 圖線，將測定的體積均加上一個數(shù)，直到壓強與體積倒數(shù)的直線通過坐標(biāo)原點為止，則加上的那個數(shù)為待測固體的體積。

在教學(xué)過程中，筆者一次次為學(xué)生表現(xiàn)的創(chuàng)造能力而感到興奮，由此筆者認(rèn)為我們的學(xué)生不是沒有創(chuàng)新能力，而是沒有創(chuàng)新機會。因此，物理教師在教學(xué)過程中通過對教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造讓學(xué)生參加創(chuàng)新的機會，學(xué)生從教師所創(chuàng)造的機會中不斷汲取養(yǎng)分，形成創(chuàng)新能力。

當(dāng)新的事物來臨時，作為教者要首先接納，花足時間研究，充分發(fā)揮DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)在物理課堂教學(xué)中的作用，更要耐心帶領(lǐng)學(xué)生逐步進(jìn)入現(xiàn)代化的測量時代，進(jìn)一步挖掘它的功能。在新的教學(xué)中，借助DIS實驗系統(tǒng)讓學(xué)生充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)的優(yōu)越性，更要激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多的創(chuàng)新靈感，這將是物理教師的時代職責(zé)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共國教育部.普通高中#8226;物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗) [M].北京:人民教育出版社，2003.59.

[2] 中華人民共國教育部.普通高中#8226;物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗) [M]. 北京:人民教育出版社，2003.56.