以DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為載體 促進(jìn)研究性學(xué)習(xí)與物理學(xué)科的整合

韓海波

（廣州市番禺區(qū)象賢中學(xué)，廣東 廣州 511483）

研究性學(xué)習(xí)是國(guó)家教育部2003年4月頒布的《普通高中課程方案（實(shí)驗(yàn)）》中綜合實(shí)踐活動(dòng)板塊內(nèi)的一門(mén)科目。研究性學(xué)習(xí)是學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從自然、社會(huì)和生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究，并在研究過(guò)程中主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)活動(dòng)。研究性學(xué)習(xí)的目的在于改變學(xué)生以單純地接受教師傳授知識(shí)為主的學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生構(gòu)建開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供多渠道獲取知識(shí)、并將學(xué)到的知識(shí)加以綜合應(yīng)用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

研究性學(xué)習(xí)的特點(diǎn)在于開(kāi)放性、探究性和實(shí)踐性。開(kāi)放性的特點(diǎn)決定了研究性學(xué)習(xí)不可能脫離學(xué)科知識(shí)而孤立存在，探究性和實(shí)踐性的特點(diǎn)決定了研究性學(xué)習(xí)同時(shí)也需要相關(guān)的技術(shù)支持。

一、物理學(xué)科可以為研究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供內(nèi)容上的支持

研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教師指導(dǎo)下從自然、社會(huì)和生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究。盡管研究性學(xué)習(xí)作為綜合實(shí)踐課程中的一門(mén)獨(dú)立的科目，但是多數(shù)學(xué)校研究性學(xué)習(xí)的指導(dǎo)教師卻是由學(xué)科（諸如物理、化學(xué)、生物、地理、歷史等）教師擔(dān)任，加之研究性學(xué)習(xí)的選題、研究都離不開(kāi)學(xué)科知識(shí)的支撐，所以從學(xué)習(xí)成效看，只有將研究性學(xué)習(xí)與學(xué)科知識(shí)有機(jī)地整合在一起，研究性學(xué)習(xí)才不會(huì)成為無(wú)源之水、無(wú)本之木，而學(xué)科知識(shí)也可以在研究性學(xué)習(xí)中得到延伸、綜合、重組與提升。

物理學(xué)科的特點(diǎn)決定了它可以為研究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供內(nèi)容上的支持。首先，物理是一門(mén)與生產(chǎn)、生活結(jié)合緊密的學(xué)科，在實(shí)際生活中以及學(xué)科學(xué)習(xí)中學(xué)生會(huì)遇到很多實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而形成研究性學(xué)習(xí)的課題，在此過(guò)程中學(xué)生提出問(wèn)題的能力會(huì)得到提高。

其次，物理學(xué)科又是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，當(dāng)學(xué)生產(chǎn)生了問(wèn)題，形成了課題，進(jìn)一步可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)器材對(duì)課題進(jìn)行研究。在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

實(shí)際上，《高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究能力以及科學(xué)探究的步驟都提出了具體的要求。這與研究性學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的要求不謀而合。因此，物理學(xué)科的特點(diǎn)決定了它可以為研究性學(xué)習(xí)的選題以及開(kāi)展提供很好的內(nèi)容支持。

二、DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以為研究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供技術(shù)上的支持

研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主探究，因此在研究性學(xué)習(xí)的實(shí)施階段，往往需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而收集和分析數(shù)據(jù)。而這個(gè)階段的順利實(shí)施就離不開(kāi)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。而DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在理科實(shí)驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)明顯，可以為研究性學(xué)習(xí)的順利開(kāi)展提供有力的技術(shù)支持。

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱 DIS）即為由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、應(yīng)用軟件機(jī)以及實(shí)驗(yàn)附件構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1）。把它應(yīng)用于研究性學(xué)習(xí)有如下優(yōu)勢(shì)。

圖1 DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

其一，它有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)觀察與動(dòng)態(tài)記錄，尤其在做可見(jiàn)度小、顯示瞬間變化的物理實(shí)驗(yàn)時(shí)具有極大的優(yōu)勢(shì)，例如測(cè)量變力、變速度、微電流、微電壓等。

其二，它有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖像處理能力，這不僅能培養(yǎng)學(xué)生看圖、讀圖的能力，更能實(shí)現(xiàn)定性觀察向定量分析的提升。

其三，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和分析功能可以讓研究者很容易的獲得所需要的數(shù)據(jù)，可以節(jié)約研究時(shí)間。

其四，數(shù)據(jù)采集器又叫手持技術(shù)，研究者可以隨時(shí)隨地?cái)y帶數(shù)據(jù)采集器和傳感器對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所以它具有便攜性的特點(diǎn)，有利于室外研究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展。

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》多處闡述了“DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于物理教學(xué)”的思想，隨后，各地出版的新課程高中物理教材不同程度地引入了這方面的內(nèi)容。國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的一些學(xué)校紛紛購(gòu)買了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并將它應(yīng)用于課堂教學(xué)，研究性學(xué)習(xí)等領(lǐng)域，取得了一些可喜的研究成果。2005年在深圳羅湖濱河中學(xué)開(kāi)展的研究性學(xué)習(xí)——“新課程物理實(shí)驗(yàn)專題研究”，學(xué)生采用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)高中物理學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)進(jìn)行自主探究，在匯報(bào)課中進(jìn)行了當(dāng)場(chǎng)演示與解說(shuō)，其精彩表現(xiàn)引起了滿堂喝彩。實(shí)踐表明，這種方式可以真正地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已成為物理教學(xué)的“新式武器”和學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的“技術(shù)平臺(tái)”。

三、基于DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的物理學(xué)科與研究性學(xué)習(xí)的整合實(shí)施建議

（一）在學(xué)科知識(shí)背景下生成研究性學(xué)習(xí)的課題

愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要”，所以，研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生的提出問(wèn)題的能力進(jìn)行培養(yǎng)，這種培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)是無(wú)時(shí)無(wú)處不在的。因此物理教師要善于啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，并鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手去解決問(wèn)題。

問(wèn)題的選擇一般要符合以下原則：與生活結(jié)合緊密，與學(xué)科知識(shí)相關(guān)，學(xué)生有興趣、有能力、有條件研究。

高中物理的各個(gè)章節(jié)都能夠發(fā)現(xiàn)一些有研究?jī)r(jià)值的課題，比如學(xué)習(xí)力學(xué)時(shí)，可以研究“菜刀上的力學(xué)知識(shí)”、“拱形橋中的力學(xué)知識(shí)”、“水火箭的制作和研究”等，學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，可以研究“生活中的電磁輻射”、“防輻射衣的材料及效果研究”、“家庭節(jié)能燈節(jié)能探究”、“電動(dòng)玩具的制作及改進(jìn)”、“研究手機(jī)周圍的磁場(chǎng)和輻射”、“水果電池的制作和研究”等。

通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以及提出問(wèn)題的能力將會(huì)得到提升。

（二）查閱資料，收集信息

查閱資料是研究性學(xué)習(xí)的必要步驟,查閱資料也是研究性學(xué)習(xí)創(chuàng)新的必要條件。在進(jìn)行一項(xiàng)課題研究之前，通過(guò)查閱資料了解該課題背景、他人研究情況，可以避免重復(fù)勞動(dòng)，保證課題研究的新穎性。其后，通過(guò)查閱資料，可以獲得研究性學(xué)習(xí)所需要的知識(shí)儲(chǔ)備。因此，每一個(gè)進(jìn)行課題研究的學(xué)生都有必要先通過(guò)各種途徑查資料，以獲得必要的研究信息。

這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生查閱資料、收集信息、甄別信息的能力將會(huì)得到提高。

（三）以DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為載體進(jìn)行有效的科學(xué)探究

探究活動(dòng)是研究性學(xué)習(xí)的主體。問(wèn)題形成以后，學(xué)生需要制定研究方案、確定研究方法，然后進(jìn)行科學(xué)探究。物理問(wèn)題的探究多數(shù)要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)越性就可以得到最大的發(fā)揮。研究力學(xué)問(wèn)題時(shí)，我們可以選擇力的傳感器、位移傳感器、速度傳感器等測(cè)量力學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)，比如力、位移、速度、加速度等；研究電磁學(xué)問(wèn)題時(shí)，我們可以選擇磁場(chǎng)的傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等測(cè)量電學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)。

這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)一系列的科學(xué)探究，學(xué)生的動(dòng)手能力、對(duì)新儀器的使用能力以及分析數(shù)據(jù)的能力都將得到提高。

（四）階段性交流討論，提問(wèn)答辯

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和探究，學(xué)生對(duì)課題會(huì)形成一定的認(rèn)識(shí)，也能夠解決一部分的問(wèn)題，同時(shí)在課題研究的過(guò)程中也會(huì)遇到一些新的問(wèn)題。這個(gè)時(shí)候可以讓同學(xué)們展開(kāi)階段性的交流和討論，碰撞產(chǎn)生新的火花，提煉出新的問(wèn)題，以利于進(jìn)一步深入地開(kāi)展研究。

這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生的交流合作能力將得到提高。

（五）對(duì)新問(wèn)題的探究

學(xué)生這個(gè)階段需要對(duì)提煉出的新問(wèn)題制定研究方案，實(shí)施研究，即重復(fù)第三步到第五步的研究。如果在階段性交流與討論階段又生成了具有研究?jī)r(jià)值的新問(wèn)題，而且時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件都允許的情況下，則可以開(kāi)展更進(jìn)一步的研究。

在對(duì)新問(wèn)題的研究中，學(xué)生將會(huì)體驗(yàn)到科學(xué)研究的持續(xù)性以及科學(xué)研究的艱辛和樂(lè)趣。

（六）認(rèn)知構(gòu)建

經(jīng)歷了以上的研究過(guò)程，學(xué)生對(duì)課題的研究告一段落，這個(gè)時(shí)候教師可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知構(gòu)建。這個(gè)環(huán)節(jié)主要是總結(jié)研究過(guò)程、研究成果以及研究心得。在此基礎(chǔ)上各小組進(jìn)行成果展示。

經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生的交流能力、表達(dá)能力得到了訓(xùn)練和提高。

（七）撰寫(xiě)結(jié)題論文

撰寫(xiě)結(jié)題論文是科學(xué)探究的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。課題研究到了一定的程度，教師可以指導(dǎo)學(xué)生撰寫(xiě)結(jié)題論文。結(jié)題論文的撰寫(xiě)一般要包含以下內(nèi)容：課題的題目、課題的由來(lái)、課題的目的和意義、課題的研究方法和步驟、課題的結(jié)論、存在的問(wèn)題和建議等。

通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生將會(huì)掌握結(jié)題論文的撰寫(xiě)方法，一個(gè)完整的課題研究也就完成了。

四、應(yīng)用舉例：水果電池的制作和研究

（一）學(xué)科知識(shí)背景下課題的生成

高二上學(xué)期的物理課程中學(xué)生學(xué)習(xí)了測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的方法，同時(shí)化學(xué)課程中講了原電池的原理。為了對(duì)電池有更進(jìn)一步的了解，同時(shí)也為了消除對(duì)于電池的神秘感，在研究性學(xué)習(xí)課程中，同學(xué)們提出了一個(gè)課題：自制水果電池，并探究水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。

（二）查閱資料，收集信息

本環(huán)節(jié)主要是收集水果電池的化學(xué)原理、物理學(xué)原理以及他人研究情況等。

（三）基于DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的學(xué)生探究

制作水果電池：每個(gè)組分別準(zhǔn)備了不同的水果（菠蘿、甜橙、蕃茄、蘋(píng)果等），然后把作為電極的鋅片和銅片插入水果中。

研究水果電池：把制作好的水果電池連入電路，利用DIS系統(tǒng)對(duì)水果電池進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)電腦分析軟件得出電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻（實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示）。

（四）交流討論，提問(wèn)答辯，生成新的問(wèn)題

在交流討論環(huán)節(jié)中，大家發(fā)現(xiàn)水果電池的電動(dòng)勢(shì)一般較小，內(nèi)阻較大。且不同水果的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻一般是不同的。于是大家形成了以下新的問(wèn)題：

①電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻是否與水果種類（蘋(píng)果、橙、菠蘿、蕃茄等）相關(guān)？哪種水果效果更好（電動(dòng)勢(shì)大，內(nèi)阻?。?？

②電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻與水果的成熟程度是否相關(guān)？

③電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻與電極材料（鋅片、銅片、鎂片、鋁片等）是否相關(guān)？

（五）對(duì)新問(wèn)題進(jìn)行探究

這個(gè)階段，學(xué)生開(kāi)始探究影響水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的因素。采用的方法即為控制變量法。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仍然是DIS系統(tǒng)。重復(fù)第2、3步驟，對(duì)新生成的問(wèn)題進(jìn)行探究。

（六）認(rèn)知構(gòu)建

在以上研究的基礎(chǔ)上，對(duì)課題進(jìn)行總結(jié)和反思。研究發(fā)現(xiàn)：水果的種類、水果的成熟程度、電極材料都對(duì)水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻有影響。

①不同水果的比較發(fā)現(xiàn)：效果最好的是番茄，其次是菠蘿。

②不論那種水果，其電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻都與其成熟程度關(guān)系較大。

③不同的電極的比較發(fā)現(xiàn)：Cu-Mg作電極效果最好，Cu-Al效果最差，Cu-Zn的效果處于兩者之間。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：這個(gè)結(jié)果與化學(xué)中金屬活動(dòng)性的強(qiáng)弱相吻合。

當(dāng)然，探究活動(dòng)也有值得進(jìn)一步思考和改進(jìn)的地方。例如：

①是否可以把多個(gè)水果進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)進(jìn)行研究。

②不同水果電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻不同，這跟其汁液濃度不同，PH值不同是否相關(guān)。如果把水果換成果汁效果是否會(huì)更好。

（七）撰寫(xiě)結(jié)題論文

教師指導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)研究的要求撰寫(xiě)結(jié)題論文或研究報(bào)告。

教師點(diǎn)評(píng)：本課題以物理學(xué)科知識(shí)作為依托，以DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為技術(shù)支持，在學(xué)生自主、協(xié)作、探究的基礎(chǔ)上研究了水果電池，并生成了新的問(wèn)題，作為后續(xù)研究的內(nèi)容。通過(guò)這樣的研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生經(jīng)歷了提出問(wèn)題、查閱資料、制定研究計(jì)劃、進(jìn)行科學(xué)研究、交流合作、對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋、對(duì)結(jié)論進(jìn)行表達(dá)、撰寫(xiě)結(jié)題論文等一系列的探究環(huán)節(jié)，從中體會(huì)到科學(xué)探究的艱辛和樂(lè)趣，對(duì)落實(shí)科學(xué)探究、培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)能力具有相當(dāng)重要的作用。

本研究成果雖然目前不能解決用電量需求，但說(shuō)不定有一天“奇跡”出現(xiàn)，通過(guò)水果能成功地找到新能源，即使腐爛的水果也能得到合理的利用，從而解決能源短缺的問(wèn)題以及廢舊電池的污染問(wèn)題。