基于DISLab的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與研究

唐波 翁驊

摘要： 數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab）被用到物理教學(xué)后，存在兩種不同的觀點(diǎn)，一種是無用論，即認(rèn)為該系統(tǒng)會使學(xué)生忽視數(shù)據(jù)采集、處理的一些基本功，過分依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)而無法真正提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?另一種是萬能論，即認(rèn)為可以用DISLab系統(tǒng)完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。本文通過該系統(tǒng)運(yùn)用的實(shí)踐，闡述了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DISLab創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，并努力探尋在物理教學(xué)中應(yīng)用DISLab系統(tǒng)提高教學(xué)效果的方式。

關(guān)鍵詞： DISLab;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

中圖分類號：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?論文編號：1674-2117（2015）06-0039-03

● 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中指出：“高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神?！盵1]

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，學(xué)生對物理規(guī)律、定律的學(xué)習(xí)，離不開實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)與《標(biāo)準(zhǔn)》尚有很大的差距。國家教委教學(xué)儀器研究所曾歷時(shí)四年，對全國十個(gè)省市學(xué)生的動手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行調(diào)查，結(jié)論是：高中學(xué)生理、化、生實(shí)驗(yàn)不及格，我國中小學(xué)生不能手腦并用。[2]有數(shù)據(jù)表明，高考物理實(shí)驗(yàn)得分情況不盡如人意，具體表現(xiàn)為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)得分較低，特別是探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得分更低。例如，2012年浙江高考理綜21題，“測玻璃的折射率”實(shí)驗(yàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，不除零平均分4.5，難度0.45，其中得0分的占17%，得3分的占17%。

究其原因，主要是實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫離生活實(shí)際，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容范圍較窄，實(shí)驗(yàn)形式缺乏探究性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)流于形式，評價(jià)方式單一等。另外由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，某些實(shí)驗(yàn)存在著以定性研究為主，無法開展定量研究的局限性。

● DISLab對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響

DISLab是英文Digital Information System Laboratoryd的縮寫，意為“數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”。它是利用多媒體信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟硬件一體化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用傳感器將實(shí)驗(yàn)裝置與計(jì)算機(jī)連接后，傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過模擬到數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過相應(yīng)軟件將探測到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)物理量的類型和數(shù)值。具有過程“可視化”、物理量采集迅速準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的特點(diǎn)。

運(yùn)用該設(shè)備進(jìn)行物理現(xiàn)象的觀察、物理原理的探索，可以完成一些常規(guī)儀器難以完成的實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中掌握知識，是一套集物理測量、自動控制、數(shù)據(jù)記錄、智能化數(shù)據(jù)分析于一體的綜合性物理實(shí)驗(yàn)平臺。[3]

● DISLab在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

1.實(shí)踐案例

人教版物理必修1第四章第二節(jié)《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》，是新教材實(shí)驗(yàn)思想的典型體現(xiàn)。以下為筆者設(shè)計(jì)的案例的部分內(nèi)容。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

①整體策略。

提出問題：加速度與物體質(zhì)量和受力都有關(guān)系，要想探究三個(gè)物理量之間的關(guān)系，用什么方法？

考慮控制變量法：如m一定，探究F與a的關(guān)系;如F一定，探究m與a的關(guān)系。

②關(guān)鍵突破。

提出問題：質(zhì)量、力與加速度分別如何測量？

思考：質(zhì)量——天平，

恒力—— ?？

加速度—— ?？

為了解決恒力如何獲得的問題，實(shí)驗(yàn)者可以用重物（砝碼盤及砝碼）提供拉力，拉力的大小近似等于重物的重力。同時(shí)思考：小車除受到拉力外還受哪些力？怎樣才可以認(rèn)為拉力就是小車受的合力？此時(shí)可以傾斜軌道，使小車重力沿軌道的分力平衡摩擦力。

在解決加速度如何測量（比較）的問題時(shí)，教師可以給出提示：由勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律公式出發(fā)。

③方案選擇與設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)器材：滑塊、配重塊、氣墊導(dǎo)軌、DISLab光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、細(xì)線、砝碼、砝碼桶、天平等器材（如圖1）。

實(shí)驗(yàn)原理：a。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是精度高，集數(shù)據(jù)測量、采集、處理為一體。

（2）實(shí)驗(yàn)探究——數(shù)據(jù)分析與論證

◇加速度與力的關(guān)系，見表1。

問題1：看到這些數(shù)據(jù)，你能快速得出a與F的關(guān)系嗎？

問題2：用什么方法可以使物理量之間的關(guān)系更直觀？

參考：以a為縱軸，F(xiàn)為橫軸作圖（如圖2）。

問題3：看到這樣的圖線能想到了a與F的關(guān)系是什么嗎？

參考：a∝F。

問題4：為什么直線沒有恰好過原點(diǎn)？

參考：平衡阻力略過度。

◇加速度與質(zhì)量的關(guān)系，見表2。

以a為縱軸，m為橫軸作圖（如圖3）。

問題5：看圖后，你認(rèn)為a與m成反比嗎？若不確定，該如何處理？參考表3中計(jì)算出的數(shù)值。

參考：以a為縱軸，1/m為橫軸作圖（如下頁圖4）。

問題：現(xiàn)在你能證明a與m成反比嗎？如果還是曲線又該如何？

（3）結(jié)論

當(dāng)m一定，a=∝F，當(dāng)F一定，a∝1/m。但要成為“定律”，只有根據(jù)這些結(jié)論推導(dǎo)出的很多新結(jié)果都與事實(shí)一致才行。科學(xué)前輩們宣布某個(gè)定律時(shí)，既需要謹(jǐn)慎，也需要勇氣。

2.案例評析

中學(xué)物理教學(xué)中大部分科學(xué)探究都是通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)的選用與設(shè)計(jì)都必須從教學(xué)目的出發(fā)。實(shí)驗(yàn)演示力求儀器簡短、過程明了，突出物理原理，排除非本質(zhì)因素的干擾，盡可能直觀，少轉(zhuǎn)彎抹角。[4]本案例中，重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及結(jié)論上，利用DISLab系統(tǒng)的高效精確的特點(diǎn)，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，可以直觀反映加速度與力及質(zhì)量的關(guān)系。同時(shí)在教學(xué)過程中，滲透物理思想的教育，如列表法和作圖法的比較，化曲為直的重要思想等，收效很好。

● 結(jié)語

綜上所述，DISLab的優(yōu)點(diǎn)是精確、高效、可視化，解放了學(xué)生花大量的時(shí)間去采集和處理數(shù)據(jù)，使學(xué)生可以更加重視實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。但它也有局限性，尤其是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中基本儀器的讀數(shù)、操作及數(shù)據(jù)處理的方法等基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，是無法完全替代的。如果對儀器的工作原理一無所知，就會使學(xué)生有“黑箱”的感覺，這對學(xué)生的認(rèn)知是不利的，而DISLab在這方面的弱點(diǎn)顯得尤為突出，應(yīng)引起教師的重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.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]張東.高中物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀與出路初探[J].中學(xué)生數(shù)理化（學(xué)研版），2011（05）.

[3]馮容士.工具的變遷，課改的理念──DISLab綜述[J].物理教學(xué)，2004（9）.

[4]李新鄉(xiāng)，張軍朋.物理教學(xué)論（第二版）[M].北京科學(xué)出版社，2009（9）.