關于DIS實驗流程模式的理論探究

渠雷雷

（蚌埠第二中學 安徽 蚌埠 233000）

趙永樂

（蚌埠第九中學 安徽 蚌埠 233000）

眾所周知，實驗教學是中學物理教學的一項重要內(nèi)容和教學手段.實驗教學的有效開展，關系到理論聯(lián)系實踐、提高學生科學素養(yǎng)、培養(yǎng)學生濃厚科研興趣等教學目標的達成.然而面臨當前社會信息爆炸式的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)實驗對廣大師生的吸引力已大不如前，因此當整合了實驗技術與信息技術的DIS實驗一經(jīng)出現(xiàn)，便立刻成為物理同仁一致關注的熱點，并迅速取得了豐富的實踐成果.

1 不可忽視的現(xiàn)象

1.1 實驗理論發(fā)展的嚴重滯后

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是一種全新的軟硬件一體化的實驗系統(tǒng)，它具有多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺以及強大的函數(shù)圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗手段數(shù)字化、測量呈現(xiàn)實時化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測量簡單化，在真實實驗的基礎上實現(xiàn)了信息技術與物理實驗教學的整合，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時超越傳統(tǒng)［1］.

但是，我們要清楚地認識到，DIS實驗系統(tǒng)與物理實驗的有機結(jié)合需要教育思想的首先變革，即從教育觀念、教育思想與教育模式等方面，強化和尊重師生雙方的主動探究、創(chuàng)造性反思以及團隊合作等全新的品質(zhì).

筆者認為，DIS實驗系統(tǒng)其優(yōu)越性的充分發(fā)揮，應契合于物理實驗教學理念.這種契合，不是一方被動地適應另一方，而應該是雙方主動地靠近和融合——正如馮容士院士所說，“工具的變遷，課改的理念”.新課改的理念催生了數(shù)字化實驗系統(tǒng)，后者也反過來呼喚著實驗理念的更新.但是實驗教學理念的更新，卻不能僅僅著眼于實踐的層面，更應該加大對實驗理論的關注.

而目前的相關研究，多是應用方面的具體實例，孤立的點狀個案比較多，缺少理論上的歸納和整理.從一方面來講，案例過于集中，觀點大致雷同，課題重復造成浪費.更重要的是文章過于偏向?qū)嵺`，嚴重依賴于教師教學經(jīng)驗的積累.往往經(jīng)驗豐富、教學理念自成風格的老教師，在文章中信手拈來的案例，新教師由于經(jīng)驗的缺乏，只能生搬硬套.這說明廣大物理同仁對實驗理論的重視程度不高，缺少理論方面的融煉和交流，不能在宏觀層面上形成明確的指導性，可移植性很差.

筆者認為，借由數(shù)字化實驗的角度對物理實驗基本理論進行深入研究，從理論角度，找到目前實驗教學中存在的根本問題，從而優(yōu)化實驗，這是一個重要的研究方向.

1.2 一個表象的小問題

在提到數(shù)字化實驗的時候，教師往往首先想到的是其如何突破傳統(tǒng)實驗手段的限制，比如，大幅度改進原來做不出、做不好的實驗，變“不可見”為“可見”，由“抓不住”到“抓得住”，將“不好做的”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂米龅摹保?］.所以大部分教師對數(shù)字化實驗贊不絕口，對其發(fā)展的前景也充滿著希望.

但如果換由學生的角度來看，考慮到中學生所處的年齡階段，結(jié)論就不容樂觀了.筆者在學生中做的一些小調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多學生在數(shù)字化實驗課上“容易走神”，階段性的“不知道在做什么”，內(nèi)心里“不喜歡”甚至“排斥”數(shù)字化實驗.調(diào)查結(jié)論顯示：如果可以選擇，學生更傾向于做傳統(tǒng)實驗.

那么，是什么原因造成教師和學生對待同一事物的觀念差異呢？數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗在本質(zhì)上有什么區(qū)別？

2 問題分析

2.1 無法回避的主觀感受

出現(xiàn)教師和學生對待數(shù)字化實驗的觀念差異，首先是看問題的角度和評價標準不同.教師從設計者的角度，更多的是關注實驗結(jié)果的精確性，過程的嚴謹性，因此數(shù)字化實驗當然更具優(yōu)勢.而學生對實驗的評判依據(jù)則是自身好奇心和動手欲望是否得到滿足，恰恰在這方面數(shù)字化實驗有所欠缺.

實驗課上學生只能機械地按照既定程序點擊鼠標，總感覺缺少點兒實驗探究的激情和樂趣，無法全身心投入實驗過程 ——“不像是在做實驗，更像是在學電腦”.因此從主觀感受上找原因，DIS實驗雖然精確性占優(yōu)，但在直觀性上比較欠缺，親和力遜于傳統(tǒng)實驗.

2.2 兩面性的客觀特點

筆者在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，DIS實驗在理科基礎好的學生中受到的排斥，要小于理科基礎差的學生.或者說理科基礎好的學生比理科基礎差的學生更容易接受DIS實驗.究其原因，既然DIS系統(tǒng)能夠破傳統(tǒng)實驗手段的限制，改進傳統(tǒng)實驗做不出、做不好的實驗，因此相應的在數(shù)據(jù)的底層處理上，本身就要比傳統(tǒng)實驗繁瑣.這樣正反兩方面的客觀特點，就決定了理科基礎差的學生只能游離于實驗的感性表層，無法深入地參與實驗原理、實驗設計和數(shù)據(jù)處理等重要環(huán)節(jié).這實質(zhì)上就凸顯了學科培養(yǎng)目標與業(yè)已存在的學生分化之間的矛盾關系.

3 理論探究

3.1 二維分析圖

基于上面的分析，如果把處理難度和參與度分別作為兩個評判指標，對一堂實驗課做一個二維分析，就可以大致衡量出該節(jié)實驗課的效果如何.

圖1 傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的二維分析圖

如圖1所示，在以數(shù)據(jù)處理難度和參與度為兩坐標軸的平面象限中，受學生喜愛的傳統(tǒng)實驗因其處理難度低而參與度高，處于右下角的第四象限；被學生排斥的DIS實驗因其較高的處理難度和較低的參與度，處于左上角的第二象限.而值得注意的是，如果一次實驗教學，本身處理難度并不高，卻沒有有效地引發(fā)學生的積極參與，就淪為了左下角第三象限中的失敗實驗；與其完全相反的則是理論上的最優(yōu)實驗.

3.2 完整實驗體系理論構(gòu)想

從上面的分析可以看出，實驗者的水平高低，實驗者參與度的高低，也是對實驗教學進行評價的一個重要方面.因此，為了進一步研究實驗理論，筆者認為應當把實驗者這一主觀因素，與客觀的實驗器材一起組成完整的實驗體系，并且淡化外在表象，僅從內(nèi)在功能上進行切割劃分.

為此，筆者提出了一個包括實驗者和實驗對象在內(nèi)的，更廣義的完整實驗體系的理論構(gòu)想.這一構(gòu)想中，實驗者和實驗對象并不是脫離于實驗儀器之外的無關事物，而是和后者一樣，分屬實驗體系的一個環(huán)節(jié)或一個模塊［2］.如果僅僅從功能上來看，可以將這三者劃分為5個功能層，分別為：

（1）決策層.提出實驗目的，設計實驗方案，組織整個實驗流程，并對數(shù)據(jù)做出深度分析.

（2）界面層.以一定的形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，比如儀表盤、指示燈、軟件界面等呈現(xiàn)的形式.

（3）處理層.能對數(shù)據(jù)進行各種簡單處理 ——記錄、轉(zhuǎn)化和組織（包括圖像、表格）.

（4）測量層.從實驗對象采集所需的各物理量.

（5）對象層.實驗的直接作用對象，問題的研究對象等.

這5個功能層自上而下構(gòu)成一個5層的金字塔結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 完整實驗體系的5層金字塔結(jié)構(gòu)

3.3 實驗流程模式

需要提出的是，以上5層結(jié)構(gòu)的相互位置，并不是絕對的.數(shù)據(jù)信息的流轉(zhuǎn)順序不同，順序也會發(fā)生一定的改變，這就涉及到實驗的流程模式.下面以伏安法測電阻這一實驗為例，闡述傳統(tǒng)實驗和DIS實驗在流程模式上的這種區(qū)別.

3.3.1 傳統(tǒng)實驗流程特點

圖3 傳統(tǒng)實驗伏安法測電阻的實驗流程模式

該傳統(tǒng)實驗的實驗電路圖和流程模式如圖3所示，分析如下.

對象層.實驗對象為小燈泡，燈座結(jié)構(gòu)簡單，對象展示直觀、明晰.

測量層、界面層.電流表、電壓表分別采集得到流過小燈泡的電流值和其兩端的電壓值，同時表盤也兼具界面的作用，把數(shù)據(jù)的實時值和變化趨勢呈現(xiàn)給實驗者.

處理層.實驗者讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)，同時填寫在事先準備的數(shù)據(jù)表格內(nèi)，執(zhí)行實驗方案中的重復步驟，改變滑動變阻器位置，重復上面的過程.得到數(shù)據(jù)后進行計算或者作圖，提供進一步?jīng)Q策的依據(jù).

決策層.實驗者事先制定計劃，確定實驗方案、選定實驗對象和實驗工具，并根據(jù)電路圖連接、安裝電路，以及故障排除，衡量實驗誤差，檢測是否達到實驗目的.

特點總結(jié)：測量層和界面層合一，實驗對象的各項數(shù)據(jù)，被測量層采集后，直接呈現(xiàn)在各自的界面，成分散狀態(tài)；實驗者行使決策層和處理層兩種功能；實驗進行的快慢取決于實驗者實驗技能的熟練程度，節(jié)奏由實驗者主導，其參與實驗流程的程度較高.

3.3.2 DIS實驗特點

圖4 DIS實驗伏安法測電阻的實驗流程模式

該DIS實驗的實驗電路圖和流程模式如圖3所示，分析如下.

對象層.實驗對象為廠商特制小型電路板上的小燈泡，其集成化、特型化的特點，對實驗者形成一定的認知障礙.

測量層.電流傳感器、電壓傳感器分別采集得到流過小燈泡的電流值和其兩端的電壓值.

處理層.傳感器信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的轉(zhuǎn)換，傳入計算機，并自動進行重復實驗，由軟件系統(tǒng)進行記錄和匯總.實驗者按照既定順序，點擊軟件界面特點按鈕，輔助完成數(shù)據(jù)處理.

界面層.軟件系統(tǒng)依照通用的或者實驗專用的界面呈現(xiàn)給決策層，大量數(shù)據(jù)信息經(jīng)過集成后顯示在同一界面，對實驗者的信息閱讀能力和分析能力要求較高.

決策層.雖然可以自行設計實驗方案，但大多數(shù)實驗受到實驗器材設計思想的限制，只能采取既定方案；通常一個DIS實驗有其特定的或者成套的器材，因此在器材選擇上也不夠自由.

特點總結(jié)：測量工具沒有獨立界面，數(shù)據(jù)采集的第一步無法形成直觀感受，造成一定的距離感；從測量層、處理層到界面層，重復實驗過程和數(shù)據(jù)處理過程不夠明晰，全部由計算機完成，在認知上形成DIS黑箱，一旦出現(xiàn)故障，不易定位故障點；實驗者行使決策的作用被削弱，在整個實驗體系中處于邊緣地位，參與實驗流程的程度不高，器材反過來主導了整個實驗過程，實驗進行的快慢取決于器材和軟件最初的設計.

3.3.3 兩種實驗流程模式的差異對比

從完整實驗體系的金字塔結(jié)構(gòu)圖，也可以對DIS實驗系統(tǒng)和傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)，進行一個直觀的對比.

圖5 兩種實驗流程模式的直觀對比

從圖5的對比可以看出，DIS實驗相比傳統(tǒng)實驗，有以下兩點重要變化：

（1）處理層下移，界面層上移，說明由測量層采集來的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過匯總、初步處理或轉(zhuǎn)化后，方呈現(xiàn)給界面層.

（2）傳統(tǒng)實驗體系中的實驗者占據(jù)了5層中的上兩層，器材方面占據(jù)了中間兩層；與之相對比的是，DIS實驗系統(tǒng)囊括了體系的中間3層，實驗者只保留了頂層.說明傳統(tǒng)實驗中器材和實驗者在實驗體系中占據(jù)的分量比較均衡；而DIS實驗系統(tǒng)一定程度上架空了實驗者的決策地位，會使得實驗者因參與程度降低、對實驗過程無法掌控而產(chǎn)生疏離感.

因此，至少就目前來看，傳統(tǒng)實驗仍有著DIS實驗所無法取代的優(yōu)勢，即在親和度、自由度和參與度上遠超DIS實驗.過分強調(diào)DIS實驗的高效性、精確性，實質(zhì)上是忽略了實驗者的主觀感受，忽略了中學實驗教學對象的年齡特點，忽略了中學實驗過程的教學性質(zhì).或許在科研領域，數(shù)字化實驗將更加如魚得水.但在中學實驗教學示范中，為了優(yōu)化實驗教學效果，應當通過客觀的、針對教學需求的分析，適當放慢實驗節(jié)奏.這樣才能更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學思維模式，更好地提高學生的動手能力和設計能力.

4 結(jié)語

筆者以為，實驗教學案例的研討，不應是空洞、隨意或者盲目的靠數(shù)量取勝.物理實驗教學的優(yōu)化發(fā)展，也不應該窠臼于普通課型的常見分析方法.應該大力發(fā)展實驗理論的研究，建立起一整套適合實驗教學的評價依據(jù)和分析方法.這樣，既方便實驗案例的深入研討，也有利于新教師的學習和成長.更重要的是，借由實驗理論的深入研究，可以從使用者的角度，給數(shù)字化產(chǎn)品企業(yè)提供一個發(fā)展方向的有益建議，使其開發(fā)出更多更符合中學生年齡特點、更適合課堂教學演示、更受大多數(shù)學生歡迎和喜愛的數(shù)字化產(chǎn)品，也從更廣泛的角度促成科學理論與應用技術之間的良性互動！

1 李進.基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗拓展.教學儀器與實驗，2009（7）

2 梁杰.朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)走入中學實驗室.中國教育報，2006－01－20（5）

3 董光順.從DIS與傳統(tǒng)實驗的特點談中學物理實驗類型的選擇.物理通報，2013（10）