物理DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)研究：以探究氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系為例

◆王麗玲

作者：王麗玲，南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)閷W(xué)科教學(xué)（物理）（210046）。

1 問題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，教育改革幾經(jīng)風(fēng)雨，現(xiàn)代教育技術(shù)在教學(xué)中的地位有了很大的發(fā)展。物理作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)學(xué)科，在新課改的影響下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)和方法也有了很大的進(jìn)步，學(xué)生的主體性逐漸得到重視。我國教育部2003年頒布的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中提出：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)室，加快中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)軟件的開發(fā)和應(yīng)用，諸如通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。”[1]新技術(shù)DIS（Digital Information System，數(shù)字化信息系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)中的廣泛運(yùn)用，將物理教學(xué)改革推上一個(gè)新的平臺(tái)?，F(xiàn)行的高中物理教材中就介紹了大量用傳感器進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)。

在對(duì)教學(xué)實(shí)踐的研究中發(fā)現(xiàn)，在物理課堂教學(xué)中引入DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)新課改教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有很大的促進(jìn)作用。文章列舉“探究氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系”的DIS實(shí)驗(yàn)分析，論述DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的積極作用。

2 DIS的定義及組成

DIS實(shí)驗(yàn)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)，利用計(jì)算機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行相關(guān)物理量的采集、測(cè)量、記錄及處理等，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)[2]。其中傳感器主要包括位移、溫度、壓強(qiáng)、電流、電壓、力、聲波、磁等多種傳感器，它們實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)測(cè)量各種物理量并把它們轉(zhuǎn)化成電信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將采集的電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而且可以克服傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的各種弊端，完成一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)精神。

3 實(shí)驗(yàn)研究

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證玻意耳定律。

2）實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)溫度T不變時(shí)，一定質(zhì)量氣體的壓強(qiáng)與體積的乘積為定值。即：P-V圖線是雙曲線的一支；P-1/V圖線是一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線。

3）實(shí)驗(yàn)儀器：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、注射器、壓強(qiáng)傳感器。

4）實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1

4 DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

4.1 實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，減輕負(fù)擔(dān)，激發(fā)興趣

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生將壓強(qiáng)傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接，通過壓縮注射器，實(shí)時(shí)記錄注射針筒中壓強(qiáng)數(shù)值的變化，如表1所示。

表1

學(xué)生處理信息的能力和時(shí)間是有限的，DIS對(duì)信息的實(shí)時(shí)記錄、處理都很準(zhǔn)確，提高了課堂效率，節(jié)省了時(shí)間，讓學(xué)生有更多的時(shí)間去思考、探究實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象和問題。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，要求學(xué)生多次測(cè)量數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。但這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中花費(fèi)較長時(shí)間做重復(fù)勞作，反而對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的問題沒有太多的時(shí)間去分析和思考，喪失學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和探究性[3]。DIS有效促進(jìn)了物理教學(xué)的高效進(jìn)行。

4.2 動(dòng)態(tài)展示現(xiàn)象，促進(jìn)物理知識(shí)學(xué)習(xí)

DIS不僅在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集上改進(jìn)，還融入表格、圖像等具有表象性的形式來顯示和處理數(shù)據(jù)，直觀地揭示所要研究的物理量之間的關(guān)系,如圖2、圖3所示。

圖2是壓強(qiáng)P與體積V的函數(shù)關(guān)系，圖3是壓強(qiáng)P與體積的倒數(shù)1/V的函數(shù)關(guān)系，學(xué)生一眼就可以看到氣體壓強(qiáng)與體積的倒數(shù)是正比例函數(shù)關(guān)系，即線性關(guān)系，從而理解并得出結(jié)論：氣體壓強(qiáng)與體積的乘積是定值。

圖2 P-V

圖3 P-1/V

傳統(tǒng)的教學(xué)很多時(shí)候不能與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，形象顯示物理現(xiàn)象。運(yùn)用DIS可以向?qū)W生展示事物之間的本質(zhì)關(guān)系，使學(xué)生更加容易理解實(shí)驗(yàn)原理和規(guī)律，有利于學(xué)生對(duì)所研究物理量之間定性和定量的探究。直觀的視覺感受，在學(xué)生建立知識(shí)體系的過程中更具有說服力。

4.3 放大實(shí)驗(yàn)誤差，鍛煉學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)

在習(xí)得理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生再一次仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并放大實(shí)驗(yàn)圖像，提出疑問：按照玻意耳定律，氣體壓強(qiáng)與體積的乘積是定值，那么P-1/V的圖像應(yīng)該是嚴(yán)格的正比例函數(shù)，如圖3所示，為什么實(shí)驗(yàn)得到的圖像卻不是過原點(diǎn)的？

學(xué)生也許會(huì)很快想到實(shí)驗(yàn)中由連接注射器與壓強(qiáng)傳感器的橡膠管所帶來的明顯的系統(tǒng)誤差，會(huì)影響到氣體體積的正確記錄。教師可以指導(dǎo)學(xué)生修正橡膠管內(nèi)的氣體體積，畫出V-1/P的圖像，則截距就為橡膠管內(nèi)的氣體體積。重新實(shí)驗(yàn)，得到圖像如圖4所示。

圖4

圖5

雖然實(shí)驗(yàn)圖像修正不少，但是還是存在一點(diǎn)兒誤差，那是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中操作不完善帶來的系統(tǒng)誤差。這種不是很顯性的系統(tǒng)誤差是學(xué)生很少會(huì)注意到的。這時(shí)就需要教師進(jìn)一步讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的方法和過程，通過探索和質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)注射器初始體積這一因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響進(jìn)行思考。學(xué)生可以在比較的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)注射器的初始體積越大，實(shí)驗(yàn)的誤差就越小，最后得到相對(duì)比較理想的實(shí)驗(yàn)圖像，如圖5所示。

運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)輔助物理教學(xué)，能夠即時(shí)點(diǎn)出實(shí)驗(yàn)中的問題，促進(jìn)學(xué)生的思維碰撞，使得學(xué)生能夠充分進(jìn)行科學(xué)探討，有助于培養(yǎng)學(xué)生多視角觀察和分析，鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。

4.4 學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新精神

基于DIS的物理實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生探索的興趣，注重實(shí)驗(yàn)探究過程中學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索、擅于思考的科學(xué)態(tài)度，從而為學(xué)生的創(chuàng)新打下基礎(chǔ)，這與新課改的理念是相一致的。《普通高中物理課程標(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(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過自己思維、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)等，體驗(yàn)探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究的能力，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)探究的理解[1]。

圖6

教師可以給予學(xué)生一定的時(shí)間，讓學(xué)生再思考其他可能影響實(shí)驗(yàn)的因素，比如：是拉伸注射器活塞的實(shí)驗(yàn)效果好還是壓縮好？比較效果如圖6所示。

圖6是拉伸注射器活塞的實(shí)驗(yàn)P-1/V圖像，可以與圖5比較得到結(jié)論：在同等情況下，壓縮活塞的實(shí)驗(yàn)誤差較小。

教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考：怎樣用注射器和力傳感器測(cè)大氣壓強(qiáng)？

把學(xué)過的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程可以讓學(xué)生對(duì)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[4]。物理教師在教學(xué)過程中不僅要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更要注重發(fā)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新因子，引導(dǎo)學(xué)生形成創(chuàng)新能力。

5 總結(jié)與反思

1）教師首先要清楚地認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)代教育的實(shí)施離不開現(xiàn)代化技術(shù)，DIS能將現(xiàn)代化的教育手段應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師在教學(xué)實(shí)踐過程中要充分發(fā)揮DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性，將物理概念形象化，便于學(xué)生理解。

2）教師要使學(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)生的合作能力、團(tuán)隊(duì)精神[5]。

3）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)用DIS不僅僅顯示現(xiàn)代技術(shù)的提高，更體現(xiàn)教育觀念的進(jìn)步。教師應(yīng)該充分借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多樣功能，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多的創(chuàng)新靈感，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

[1]普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京:人民教育出版社,2003.

[2]劉炳升,仲扣莊.中學(xué)物理教師專業(yè)技能訓(xùn)練[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]姚維貴.“氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”DIS實(shí)驗(yàn)研究[J].物理教學(xué)探討,2005(12):50-51.

[4]徐銳.DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在物理教學(xué)中的作用[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2008(6):46-49.

[5]馬如宇,卓敏.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[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(8):36-38.