DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

馬如宇 卓 敏

遼寧省教育技術(shù)裝備中心 遼寧沈陽(yáng) 110032

☆現(xiàn)代教育技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用☆

DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

馬如宇 卓 敏

遼寧省教育技術(shù)裝備中心 遼寧沈陽(yáng) 110032

中學(xué)物理課程與信息技術(shù)整合是新課程關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）進(jìn)入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其具體的表現(xiàn)。本文在研究DIS的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的理論為指導(dǎo)，從現(xiàn)代教學(xué)理念的角度，通過對(duì)數(shù)字信息化系統(tǒng)(DIS)的構(gòu)成要素、技術(shù)特征和在教育教學(xué)中的地位和作用的深入分析，設(shè)計(jì)了DSI在物理教學(xué)中的應(yīng)用的案例，以期對(duì)DIS這門新興技術(shù)的研究有些裨益，也希望能對(duì)中學(xué)物理教師有所借鑒。

DIS 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 基于傳感器的實(shí)驗(yàn)儀器

回顧近半個(gè)世紀(jì)的物理教育改革，最重要的成就是逐步確立了現(xiàn)代物理教學(xué)觀。教學(xué)過程從強(qiáng)調(diào)論證知識(shí)的結(jié)論向獲取知識(shí)的科學(xué)過程轉(zhuǎn)化，從強(qiáng)調(diào)單純積累知識(shí)向探求知識(shí)方向轉(zhuǎn)變。重視科學(xué)過程和重視能力培養(yǎng)，構(gòu)成了現(xiàn)代物理教育的基本原則。而物理學(xué)中，概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立，都有賴于實(shí)驗(yàn)。因此，強(qiáng)調(diào)重視實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，成為新課改對(duì)物理教學(xué)的基本要求。

一、DIS的定義及其構(gòu)成

DIS（Digital Information System）實(shí)驗(yàn)技術(shù)，又稱“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實(shí)驗(yàn)軟件包（教材專用軟件、通用擴(kuò)展軟件）＋計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合。

傳感器主要包括電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等多種傳感器。它們的主要功能是：實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)地測(cè)量各種物理量并把他們統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集器。并且，多種傳感器可以組合使用。在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中，相比功能單一的傳統(tǒng)儀器儀表，這種組合的優(yōu)勢(shì)更加明顯—組合意味著進(jìn)一步的創(chuàng)新。比如，光電門和力傳感器的組合構(gòu)成了“向心力實(shí)驗(yàn)儀”的基礎(chǔ)；電流傳感器和力傳感器組合出了“安培力測(cè)量裝置”；而磁感強(qiáng)度傳感器與位移傳感器的組合，則創(chuàng)造性地獲得了“磁感強(qiáng)度一距離”關(guān)系圖線。

數(shù)據(jù)采集器，與計(jì)算機(jī)之間以串行方式通信。它可以同時(shí)接入四路傳感器、并行輸入，它的主要功能是：將由各類傳感器采集到的各種具有模擬特征的物理量轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字量。

DSI系統(tǒng)的軟件主要包括教材專用軟件和教材通用軟件兩種。教材專用軟件主要是針對(duì)物理教材中的實(shí)驗(yàn)研發(fā)而成，它可以完成中學(xué)物理教材中幾乎所有的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)潔、易用，更貼近課堂教學(xué)；教材通用軟件，可以自行設(shè)定許多功能，如組合、顯示、分析計(jì)算、曲線擬合等擴(kuò)展功能，因而更適于探索研究。

二、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的技術(shù)特征

從以上對(duì)DIS組成結(jié)構(gòu)和功能的介紹可以看出，DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的價(jià)值主要表現(xiàn)在:可以方便、迅速地采集現(xiàn)實(shí)生活或?qū)嶒?yàn)室中各類物理量的信息，并通過計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，將采集到的各類物理量信息傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行多元化的分析處理。其中，DSI實(shí)驗(yàn)技術(shù)所具有的函數(shù)圖像處理功能，能直觀地揭示出相關(guān)物理量之間的關(guān)系。因而，有利于我們對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行定性和定量?jī)蓚€(gè)層面的探究。此外不難看出，多類型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺(tái)、強(qiáng)大的函數(shù)圖象處理等是DSI實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有的主要技術(shù)特征。借助于這樣的技術(shù)支撐，可以使我們對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行多角度的感知和多視角的深入分析與研究。因而DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有獨(dú)特的教學(xué)功能。

三、DIS在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和作用

中學(xué)階段是人生承上啟下的重大時(shí)期，DIS實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，使用該系統(tǒng)能夠完成力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及原子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)百個(gè)，這恰好很適合中學(xué)生的生理、心理需求，從而表現(xiàn)為強(qiáng)大的教育功能。DSI實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，是促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的一個(gè)有效方法，具有激勵(lì)功能：實(shí)驗(yàn)?zāi)艹尸F(xiàn)物理學(xué)習(xí)所必須的感性資料，提供學(xué)習(xí)情景，具有情景功能；實(shí)驗(yàn)?zāi)茳c(diǎn)出問題的起點(diǎn)，撥動(dòng)學(xué)生思維，能點(diǎn)出問題的關(guān)鍵，撥正思維方向，具有點(diǎn)撥功能；實(shí)驗(yàn)?zāi)芙沂粳F(xiàn)象的本質(zhì)，解釋問題的原因，具有釋疑功能；實(shí)驗(yàn)還能訓(xùn)練學(xué)生的思維，培養(yǎng)觀察、操作能力，具有能力訓(xùn)練功能；實(shí)驗(yàn)有助于體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)和運(yùn)用科學(xué)方法，有助于開展科學(xué)態(tài)度教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、積極進(jìn)取的科學(xué)精神，具有教育功能；實(shí)驗(yàn)過程本身作為一種科學(xué)實(shí)踐過程，能為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力提供有效的渠道和寬廣的空間，具有實(shí)踐創(chuàng)新功能。

總之，DSI能將現(xiàn)代化的教育手段應(yīng)用于教學(xué)，基于DSI的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能實(shí)現(xiàn)“求知、應(yīng)用、教育和發(fā)展”的教學(xué)功能，注重知識(shí)和技能的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)物理規(guī)律形成的過程和探究方法，教學(xué)過程中能培養(yǎng)學(xué)生的情感、態(tài)度和價(jià)值觀?；贒SI的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)方式的有效手段?；贒SI的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與交流、合作、探究等多種學(xué)習(xí)活動(dòng)，改進(jìn)學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人；強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力，收集、處理、使用信息的能力；發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問題的能力，形成科學(xué)態(tài)度，學(xué)會(huì)科學(xué)方法；具有獨(dú)立思考、自主探究的精神與求實(shí)創(chuàng)新的意識(shí)。

四、實(shí)驗(yàn)實(shí)例及分析

1.教學(xué)目標(biāo)

(1)通過深入探索實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、探究的能力。

(2)通過簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的揭示和整合，培養(yǎng)學(xué)生自主意義建構(gòu)的能力。

(3)通過操作DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠熟悉現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)儀器，掌握新的信息采集和處理方式。

2.教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

(l)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)概念的理解。

(2)水平彈簧振子運(yùn)動(dòng)(水平)規(guī)律的探索。

3.實(shí)驗(yàn)過程

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察彈簧振子的振動(dòng)圖像。

(2)實(shí)驗(yàn)原理：將位移傳感器發(fā)射器作為彈簧振子固定在彈簧振子實(shí)驗(yàn)器上并使之振動(dòng)，獲得的s-t曲線即為彈簧振子的振動(dòng)圖像。

(3)實(shí)驗(yàn)器材：DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（本文以朗威?DISLabV6.0為例）、計(jì)算機(jī)、彈簧振子實(shí)驗(yàn)器等。

(4)實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）。

(5)實(shí)驗(yàn)操作：①將位移傳感器發(fā)射器作為彈簧振子使用，懸吊并可做水平振動(dòng)。將位移傳感器接收器固定在另一側(cè)，使之與接收器處于同一平面且基本正對(duì)；②將實(shí)驗(yàn)窗口調(diào)整為“示波顯示”方式；③打開位移傳感器發(fā)射器的電源開關(guān)，使之水平振動(dòng)，可以觀察到彈簧振子振動(dòng)圖像（如圖2所示）。

建議：①嘗試改變彈簧振子的質(zhì)量，探究質(zhì)量對(duì)振動(dòng)周期的影響；②利用位移傳感器的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)構(gòu)造彈簧振子實(shí)驗(yàn)器。

4.教學(xué)策略

利用多種教學(xué)手段創(chuàng)設(shè)機(jī)械振動(dòng)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生分析、歸納，利用DSI系統(tǒng)提供的開放性探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)彈簧振子實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，獨(dú)立建構(gòu)意義。

5.整合與拓展

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普遍性呢?是否具有推廣的價(jià)值呢?對(duì)于別的情況也適用嗎?如果是以下幾種情況，結(jié)果是否還會(huì)一致嗎？

(1)用兩根彈簧水平拴住振子；(2)豎直放置彈簧振子；(3)把彈簧振子放在光滑的傾斜的斜面上。提議課下再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，繼續(xù)探究。

6.提升

通過對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律的由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一系列探究過程，要讓學(xué)生對(duì)科學(xué)研究方法—控制變量法有更深入的理解，體會(huì)到方法的重要性。大膽的猜測(cè)，嚴(yán)密的求證，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。對(duì)誤差進(jìn)行分析，采取新的方法減小誤差，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)真理的不斷追求。

7.體會(huì)與反思

(1)DIS實(shí)驗(yàn)與物理學(xué)科研究性學(xué)習(xí)的整合，應(yīng)在新的教學(xué)理念指導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與技能，過程與方法，情感、態(tài)度與價(jià)值觀的三位一體，以基礎(chǔ)知識(shí)為本，將思想、方法融入過程之中，將學(xué)生體驗(yàn)融入活動(dòng)之中，在活動(dòng)中提升價(jià)值觀。

(2)DSI實(shí)驗(yàn)與物理學(xué)科研究性學(xué)習(xí)的整合，不是簡(jiǎn)單的重復(fù)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，而是應(yīng)該有所創(chuàng)新，有所超越。這需要提供特定的情境，從中引出所需要探究的問題，利用DIS實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大功能引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索，研究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

(3)DIS實(shí)驗(yàn)與物理學(xué)科研究性學(xué)習(xí)的整合，不能僅僅是把DSI作為學(xué)生學(xué)習(xí)的工具，教師教學(xué)的手段，重要的是改變傳統(tǒng)的教師的教學(xué)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。要使學(xué)生從被動(dòng)接受到主動(dòng)探究，建構(gòu)知識(shí)，獲得技能，利用DIS去發(fā)現(xiàn)，體驗(yàn)，感悟，使學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)信息的獲取，分析，判斷，選擇，處理，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，合作能力，團(tuán)隊(duì)精神。

8.案后語(yǔ)

(1)傳統(tǒng)教材中，彈簧振子模型中的回復(fù)力與位移的關(guān)系，往往用胡克定律簡(jiǎn)單處理，易給學(xué)生留下突兀的感覺，還有的學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生懷疑。針對(duì)這種情況，根據(jù)新課程理念，應(yīng)給學(xué)生一個(gè)清晰的證明。但是，回復(fù)力和位移都在時(shí)刻變化，傳統(tǒng)器材根本無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。利用DIS，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，較好的解決了這個(gè)問題。及時(shí)采集數(shù)據(jù)，并且繪成圖線，學(xué)生一眼看出是正比例函數(shù)，易于學(xué)生理解，對(duì)解除學(xué)生的懷疑具有更大的說服力，顯示出DIS的優(yōu)越性。

(2)利用DIS不僅可以探究回復(fù)力與位移的關(guān)系，還可以探究回復(fù)力與速度的關(guān)系，甚至回復(fù)力與加速度的關(guān)系。可以讓學(xué)生在課下自主探究，這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)、動(dòng)手操作能力，更重要的是在探究過程中，使學(xué)生對(duì)物理學(xué)方法、思想有了更深刻的感悟。這些都是傳統(tǒng)儀器無(wú)法做到，使用課件也無(wú)法達(dá)到的教學(xué)效果，充分顯示出DSI具有強(qiáng)大的生命力。

(3)從實(shí)驗(yàn)實(shí)例中我們可以看出，使用DSI，重點(diǎn)要放在對(duì)探究問題的提煉上，放在探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，關(guān)注學(xué)生的討論和生成資源，關(guān)注對(duì)學(xué)生的反思與評(píng)價(jià)，而不僅僅是關(guān)注探究的結(jié)果。在完成教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，更要關(guān)注學(xué)生的發(fā)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用DIS，不僅是技術(shù)層面的提高，更是教育思想觀念的進(jìn)步。首先，傳感器、計(jì)算機(jī)等等信息技術(shù)設(shè)備都是物理學(xué)發(fā)展和進(jìn)步的成果，將其應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，本身就是開闊視野、與時(shí)俱進(jìn)的舉措。同時(shí)也為科學(xué)方法的培養(yǎng)和科學(xué)精神的塑造提供了鮮活的素材。其次，工具的發(fā)展是腦的擴(kuò)展、手的延伸，是人類文明進(jìn)步的階梯。有了飛機(jī)，人類領(lǐng)略到了天空的高遠(yuǎn)；有了宇宙飛船，人類體驗(yàn)到了太空的深邃；有了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，學(xué)生們必定能夠收獲足以令我們意想不到的成功。

[1]張民生.中學(xué)物理教育學(xué)[M].上海：上海教育出版社，1999

[2]胡炳元.物理課程與教學(xué)論[M].浙江：浙江教育出版社，2003

[3]烏美娜.教學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1994

[4]馮容士.DISLab與力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].物理教學(xué)，2004，11

[5]朗威數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)用戶手冊(cè)

[6]朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab）V6.0 物理實(shí)驗(yàn)實(shí)例

[7]劉云覽.DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)在物理教學(xué)中的實(shí)踐研究[D].華東師范大學(xué)物理系，2006

[8]潘洪濤.數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab）應(yīng)用研究—以高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例[D].上海師范大學(xué)數(shù)理信息學(xué)院，2008

2009-10-23

馬如宇，碩士，中教一級(jí)。