DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

禚彥

DIS，即數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（Digital Information System）。它由“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)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到科學(xué)技術(shù)研究以及生產(chǎn)領(lǐng)域，同時(shí)也開始應(yīng)用于中學(xué)教學(xué)。它改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，形成新的教學(xué)模式。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)來完成的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)該包括3個(gè)方面。

1.1 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)開放性的實(shí)驗(yàn)仿真軟件，提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以仿真所能想象的所有實(shí)驗(yàn)。例如：可以提供質(zhì)點(diǎn)模型、彈簧、滑軌等器具，可以提供電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、阻尼介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)環(huán)境；可以完成自由落體運(yùn)動(dòng)、機(jī)械能守恒、帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，人造地球衛(wèi)星、太陽系的運(yùn)行等也能利用仿真系統(tǒng)模擬。仿真實(shí)驗(yàn)不但可以演示逼真的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫，還可以在演示的同時(shí)提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過仿真，模擬理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，幫助學(xué)生建立理想化的物理模型，得出物理規(guī)律。

1.2 借助傳感器，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù)

在物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集要通過傳感器把各種物理量如力、聲、光、溫度、位移、磁場(chǎng)強(qiáng)度等轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)，通過1/0和0/1轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，利用編制的軟件，快速、方便、準(zhǔn)確地處理采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以及時(shí)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如計(jì)算結(jié)果、圖表、誤差分析等。

1.3 用多媒體手段表現(xiàn)物理現(xiàn)象

計(jì)算機(jī)的多媒體功能越來越強(qiáng)，可以非常直觀形象地表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，盡管表現(xiàn)出來的本質(zhì)是虛擬的，但是它突破了真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時(shí)空局限，大小、動(dòng)靜可以變化，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察更方便，感受理解更生動(dòng)。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較

在物理課堂教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行演示，可以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理教學(xué)的整合，與傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)相比有許多優(yōu)越性。

2.1 信息的收集和顯示更精細(xì)，更靈活

DIS系統(tǒng)充分利用傳感器收集各類物理量的信息，并把它們轉(zhuǎn)化成同步變化的電信號(hào)，如力的大小信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓大小信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程中采用高頻方式采樣，使收集到的信號(hào)更加精確和細(xì)致。當(dāng)然，也可以根據(jù)需要調(diào)整采樣頻率，一般頻率可以從5 Hz調(diào)整到1000 Hz，基本上滿足各種實(shí)驗(yàn)的需要。如果不需要采集器自動(dòng)采樣，也可用手動(dòng)采樣，即在需要的時(shí)候手動(dòng)控制，進(jìn)行采樣，這樣使實(shí)驗(yàn)的操作更靈活。

2.2 數(shù)據(jù)的處理和分析更快捷

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)表格功能，它能夠及時(shí)錄入數(shù)據(jù)，并且根據(jù)事先編寫好的公式，及時(shí)輸出運(yùn)算結(jié)果。收集和處理好數(shù)據(jù)后，DIS系統(tǒng)可以迅速繪制各類圖像，讓學(xué)生通過圖像觀察物理量之間的關(guān)系。如利用圖像功能研究滑動(dòng)摩擦力與壓力之間關(guān)系時(shí)，所顯示出來的摩擦力——正壓力圖像是一條直線，關(guān)系一目了然。

2.3 高效的DIS實(shí)驗(yàn)為學(xué)生爭(zhēng)取更多的時(shí)間進(jìn)行研究

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都需要學(xué)生自己來處理，雖然可以提高學(xué)生的運(yùn)算能力，但耗費(fèi)大量時(shí)間，使學(xué)生沒有更多時(shí)間來對(duì)結(jié)果作進(jìn)一步的分析和運(yùn)算，而后面的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)往往又是學(xué)生分析綜合能力得以提升的大好時(shí)機(jī)。利用高效的DIS實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以把原本用于采集處理數(shù)據(jù)的時(shí)間節(jié)約下來，使實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)更加深入、全面，從而使課堂效率更高，節(jié)奏更快。

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用有利于開展探究性教學(xué)

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生體驗(yàn)到“猜想——驗(yàn)證——?dú)w納”的科學(xué)探究過程，初步掌握科學(xué)研究的方法，提高探究過程的實(shí)效。

3.1 擴(kuò)展課堂內(nèi)容，增加探究的廣度

高中物理課堂中有很多學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn),由于受到常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)材料等條件的限制，實(shí)驗(yàn)效果不盡如人意。例如單擺的實(shí)驗(yàn)中，教材中提供的只是擺角小于5°的近似表達(dá)式，如果擺角大于5°的情況下又是什么結(jié)果呢？如果擺球在液體中擺動(dòng)呢？將細(xì)繩換成橡皮筋結(jié)果又怎樣呢？需要借助各種傳感器來采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)M一些重要的在目前條件下難以完成的實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不足，拓展實(shí)驗(yàn)的廣度。并且有利于提高學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的操作技能，使學(xué)生提高拓展知識(shí)的能力，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

3.2 突破重點(diǎn)、難點(diǎn)，增加探究的深度

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以使抽象的物理過程和概念具體化，微觀現(xiàn)象直觀化，有利于優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，突破重點(diǎn)難點(diǎn)，使探究成為可能。實(shí)驗(yàn)可以讓“不可見”的物理量通過計(jì)算機(jī)反映出來，如位移、力、磁感應(yīng)強(qiáng)度等。碰撞的內(nèi)容屬于學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，也是考試的重點(diǎn)。有關(guān)碰撞的實(shí)驗(yàn)題目很多，但是具體兩個(gè)物體碰撞的具體過程是什么樣的？?jī)蓚€(gè)物體從開始碰撞到分開的瞬間，它們的速度又是怎樣變化的？彈性和非彈性又有什么不同？由于碰撞過程非常短暫，只是一個(gè)瞬間，用常規(guī)的傳統(tǒng)手段得不到任何數(shù)據(jù)，只能做理論的假設(shè)，借助傳感器連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，使問題有效地解決，增加探究的深度。

4 理性認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

4.1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)從數(shù)據(jù)采集和分析上大大優(yōu)于傳統(tǒng)手段的實(shí)驗(yàn)，但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)素養(yǎng)的載體，是不能忽略的教學(xué)環(huán)節(jié)。新一輪基礎(chǔ)教育改革對(duì)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢鋈婧蜕羁痰囊蟆鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法能夠培養(yǎng)學(xué)生準(zhǔn)確、深刻的觀察力，實(shí)驗(yàn)過程要求學(xué)生觀察快速、選擇準(zhǔn)確，提高學(xué)生觀察的敏銳程度；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)還能培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，為了獲取大量的數(shù)據(jù)，學(xué)生必須反復(fù)操作，從而操作熟練，手眼協(xié)調(diào)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)依靠計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)，學(xué)生直接獲得數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，但是計(jì)算機(jī)程序編制的依據(jù)卻不得而知，傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)正是培養(yǎng)學(xué)生編制實(shí)驗(yàn)程序和數(shù)據(jù)處理的能力，包括有效數(shù)字的使用和實(shí)驗(yàn)誤差的分析。傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，即忠于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)作風(fēng)，即使實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)較大的偏差，也必須承認(rèn)，從而反思找原因，培養(yǎng)學(xué)生思考、質(zhì)疑、堅(jiān)韌和創(chuàng)新的精神。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究方面表現(xiàn)很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但決不能把數(shù)字化引進(jìn)到所有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，偏離基礎(chǔ)教育的要求。

4.2 傳感器的實(shí)驗(yàn)不只是運(yùn)用傳感器，還應(yīng)該包括如何制作傳感器

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)是將各種物理量例如溫度、時(shí)間、力、加速度等轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度進(jìn)行度量。例如桿秤就是把質(zhì)量的測(cè)量轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)度的測(cè)量，溫度計(jì)就是利用水銀熱脹冷縮的特性用長(zhǎng)度來表示溫度。指針式手表就是把時(shí)間轉(zhuǎn)換成角度來讓人們測(cè)量時(shí)間的變化。傳感器則是將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，人們對(duì)電信號(hào)做出進(jìn)一步的分析和處理。學(xué)生應(yīng)該了解基本傳感器的概念，并且應(yīng)該了解基本傳感器的組成，了解物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該包含制作傳感器的內(nèi)容。將傳感器化整為零，放大，讓學(xué)生從多種傳感器件中選擇制作不同的傳感器。如制作光電傳感器，既可以用光電池，也可以用光電二極管；既可以根據(jù)光強(qiáng)變化制作，也可以根據(jù)遮擋的距離做計(jì)數(shù)器、根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同，傳感器所放置的位置和要求有所不同，從而加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)代科技方法的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

總之，在新課改培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)要求下，應(yīng)該了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，理智地看待目前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的流行，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，為學(xué)生提供更加寬泛的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的探究創(chuàng)新能力和綜合信息的處理能力。

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