關于數(shù)字化信息系統(tǒng)與物理實驗教學的整合

關于數(shù)字化信息系統(tǒng)與物理實驗教學的整合*

任俊仙

(太原師范學院山西 太原030031)

*全國教育科學“十一五”規(guī)劃教育部重點課題“中國電化教育(教育技術)發(fā)展史研究”之子課題——“電化教育實驗研究”，項目編號：DCA070186

摘 要：通過對數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)的構成、教育功能及應用背景的分析，并舉例說明將數(shù)字化信息系統(tǒng)與物理實驗教學進行整合后，可克服傳統(tǒng)實驗儀器的多種弊端，優(yōu)化物理實驗教學過程，提高教學效率和質(zhì)量，體現(xiàn)新課程的教育教學理念，把物理實驗教學推入數(shù)字化時代.

關鍵詞：DIS物理演示性實驗物理探究性實驗整合

作者簡介：任俊仙(1951-)，女， 高級實驗師，研究方向為物理實驗教學、現(xiàn)代教育技術、半導體器件.

收稿日期：(2014-12-23)

1引言

隨著信息技術的快速發(fā)展、國家基礎教育課程改革的穩(wěn)步推進，以及歐美等發(fā)達國家將數(shù)字化信息系統(tǒng)應用于理科教學的積極影響，我國新課程改革對信息技術尤其是基于傳感器的數(shù)字化信息系統(tǒng)與課程整合提出了明確要求.國家教育部提出，要重視將信息技術應用到物理實驗室，加快物理實驗軟件的開發(fā)與應用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結果等[1].由于數(shù)字化信息系統(tǒng)的教育功能和教育理念很好地反映了新課改的理念，因此數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗也相繼被編入物理教材，成為信息技術與物理課程整合的優(yōu)秀載體.在這樣的形勢之下，我們必須去研究利用數(shù)字化信息系統(tǒng)進行實驗教學的策略與方法，創(chuàng)新教學模式，創(chuàng)設有利于學生自主學習的環(huán)境，從而提升教育技術與教學成果.

2數(shù)字化信息系統(tǒng)簡介

數(shù)字化信息系統(tǒng)即DIS(Digital Information System的縮寫),是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、實驗軟件包組成的新型實驗技術.

2.1傳感器

傳感器是一類能把力、溫度、光、聲等非電學量，按照一定的規(guī)律轉換為電壓、電流等電學量或電路通斷的原件.它主要包括力、位移、聲音、壓強、溫度、電壓、電流、微電流、磁感應強度、光照強度、光電門等多種傳感器.與傳統(tǒng)的實驗儀器相比，DIS傳感器種類齊全、技術新、精度高、性能可靠.

2.2數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是連接傳感器與計算機的橋梁,它的主要功能是將傳感器采集到的模擬信號轉換為計算機可識別的數(shù)字信號.

2.3計算機和實驗軟件包

DIS實驗系統(tǒng)的計算機+實驗軟件包具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可對由數(shù)據(jù)采集中輸出的多組數(shù)字信號進行實時地收集、計算、分析、呈現(xiàn).實驗軟件包的界面友好，操作方便，可實現(xiàn)獨立顯示、四路并行疊加顯示、多種模式顯示、放大顯示，同時支持實驗結果圖形分析、圖線擬合、各類計算處理.

3數(shù)字化信息系統(tǒng)在物理實驗教學中的意義

DIS實驗系統(tǒng)作為探索物理世界的新工具，成功地克服了傳統(tǒng)實驗儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術與物理教學的全面整合.應用DIS進行物理實驗教學的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)DIS的成功應用開啟了物理實驗教學的數(shù)字化時代.

(2)DIS實現(xiàn)了對傳統(tǒng)物理實驗的有效整合與超越.

(3)DIS實驗的教育教學功能體現(xiàn)新課程理念.

(4)DIS的使用可縮短我國與先進國家在實驗儀器使用上和教育理念上的差距.

4DIS與物理實驗整合的案例分析

4.1DIS與演示性實驗整合的研究

演示實驗教學是指為配合教學內(nèi)容主要由教師操作，并通過教師啟發(fā)引導，幫助學生對實驗進行觀察思考，以達到一定教學目的的實驗教學方式.演示實驗包括教師用儀器和實物進行的實驗演示，教師在課堂上出示模型、實物，教師放映錄像、電影、幻燈等教學片及利用信息技術進行演示的實驗.它可以在引入課題、獲取新知識、鞏固知識、應用知識等各個教學環(huán)節(jié)中起到事半功倍的作用，是實驗教學的重要組成部分.

傳統(tǒng)的演示實驗定位于培養(yǎng)學生的觀察能力和思維能力，一般采用教師做、學生看，教師講、學生聽的教學方式，體現(xiàn)了教師的主體性.而且大多數(shù)傳統(tǒng)實驗儀器精度普遍偏低，系統(tǒng)誤差較大，再加上實驗過程中數(shù)據(jù)的采集一般都是由實驗者通過測量儀器的示數(shù)來讀取，數(shù)據(jù)規(guī)律的擬合結果往往通過手工描點作圖法來獲得，不僅耗時長，同時致使主觀因素所導致的偶然誤差增大.再者，在傳統(tǒng)實驗中，由于人眼觀察和手工記錄的斷續(xù)性，對于在空間尺度上人眼難以觀察的細微過程，往往借助顯微鏡才能實現(xiàn)細致的觀察，很難在演示實驗環(huán)節(jié)中操作；對于時間尺度上的細微過程就更加難以捕捉，難以記錄，這是長期以來物理實驗的一個難點，瞬間變化的可視化更是難點中的難點.DIS引入后，傳統(tǒng)實驗的這些弊端迎刃而解.下面僅以電容器充放電實驗為例，予以說明.

實驗目的：了解電容器充放電的過程，了解脈沖上升前沿與下降后沿與哪些因素有關.

實驗原理： 電容器充放電的過程中，電容器上的電壓不能突變，充電過程中電壓為

(1)

放電過程中電壓為

(2)

式中U0為充足電荷后電容器上的電壓，電容器的充、放電電壓均按指數(shù)規(guī)律變化.

實驗方法：在充電過程和放電過程中讓微機實時采集電容器上的電壓指數(shù)，即可以在屏幕上觀測到電容器充放電的圖像.

實驗儀器：計算機,物理數(shù)據(jù)采集儀，RLC暫態(tài)過程的實驗板等.

實驗步驟：

(1)在RLC上連接好實驗設備.

(2)用電壓傳感器C與接口箱上的模擬輸入B通道相連.

(3)按數(shù)據(jù)采集圖標，將開關S處于位置1時，給電容器充電，屏幕上出現(xiàn)充電曲線，如圖1綠色曲線.

(4)按保留采集圖標，原充電曲線成為保留曲線.它將改變顏色，將開關處于位置2時,屏幕上除保留充電曲線外，又出現(xiàn)放電曲線，如圖1紅色曲線.

圖1　電容器充放電實驗圖像

結果分析：

(1)電容器的充、放電電壓均按指數(shù)規(guī)律變化.可由式(1)和式(2)求得.

(2)充電時，電容器兩極間的電壓逐漸增大，穩(wěn)定時為電源電壓，放電時兩極間的電壓逐漸減小，直到為零，放電結束.

(3)充電和放電開始時，圖線的斜率最大，說明電壓變化得快.隨后斜率越來越小，說明電壓變化變慢.

一線教師都知道，電容器的實驗在傳統(tǒng)實驗中很難完成.只能通過一定的圖片讓學生觀摩和想象,或者利用多用表的電阻擋測電容，也是粗略地比較電容器容量的大小和有無漏電.由于電容器的充、放電時間很短，一般電表存在慣性，無法測量電容器充、放電過程的電流.若用“示波”法采集電容器充、放電電流、電壓隨時間變化的圖像，因示波器掃描較快，圖像只能在屏幕上閃現(xiàn)一下，不便于觀察.現(xiàn)在我們引入DIS實驗系統(tǒng)，利用以上實驗裝置，就克服了傳統(tǒng)實驗儀器的缺憾，很簡單明了地就得出電容器充、放電圖像，使學生直觀、明顯地觀察、了解脈沖上升前沿與下降后沿的情況.成功地完成了“電容器充放電”這一實驗，而傳統(tǒng)實驗器材對于圖像稍縱即逝的物理實驗是無法完成的.

4.2DIS與探究性實驗整合的研究

探究性實驗教學是現(xiàn)代教學的一種模式，是新一輪課改的亮點、難點和熱點， 是使學生通過類似于科學家的探究過程來獲取知識、培養(yǎng)科學探究能力的一種教學方法，它具有許多傳統(tǒng)實驗教學所不具備的特征.由于DIS實驗系統(tǒng)能快速呈現(xiàn)物理過程，以及其強大的數(shù)據(jù)采集、處理功能，大大地節(jié)省了教學時間，使得物理課堂實驗教學可以進行更多的科學探究活動.

玻意耳-馬略特定律是物理學中的一個經(jīng)典定律.驗證玻意耳-馬略特定律是熱學中的一個重要實驗.在傳統(tǒng)實驗中，儀器設備簡陋，只能用一個帶有刻度的注射器、鉤碼、鐵架臺等粗略地探索，而且是人工讀數(shù)和手工處理數(shù)據(jù)，不僅費時，精確度又低.筆者在傳統(tǒng)實驗的基礎上引入DIS實驗系統(tǒng)拓展課堂實驗教學，改進實驗方案，取得了良好的教學效果.

{JP實驗目的：了解氣體的特性，探究一定質(zhì)量氣體的壓強、體積、溫度之間的關系.

實驗原理：在溫度不變時，一定質(zhì)量氣體的壓強跟它的體積成反比.

實驗儀器：計算機,物理數(shù)據(jù)采集儀,壓強傳感器,注射器等.

實驗步驟：

(1)壓強傳感器一端連接接口箱模擬通道A，另一端用硅膠管連接封有一定質(zhì)量氣體的注射器.

(2)輸入實驗所在地的大氣壓強100 kPa,和硅膠管的體積20 ml.

(3)連接好計算機與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開專用軟件包，選擇氣體壓強與體積關系的圖像界面.

(4) 逐漸改變氣體體積,在此每2 ml記錄一次數(shù)據(jù).

(5)將所獲得的數(shù)據(jù)，用計算機進行處理，得到如圖2所示的圖像.

圖2　驗證玻意耳-馬略特定律實驗圖像

結果分析：在誤差允許的范圍內(nèi)，一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，氣體的壓強和體積成反比關系.實驗結果精確度高，驗證效果顯著.與傳統(tǒng)實驗相比，有誤差小、操作方便、圖像直觀等優(yōu)點.

深入探究： DIS軟件提供的自動描點、繪圖等功能節(jié)省了大量用于實驗數(shù)據(jù)后期處理的時間，不僅能讓師生在有限的時間內(nèi)把規(guī)定的實驗做出、做好，還能夠騰出時間進行探索研究.教師可繼續(xù)引申，帶領學生探究查理定律.

DIS溫度和壓強傳感器的組合使用，使得氣體定律教學中的另一個重點、難點——查理定律實驗獲得了相當大的改進.利用DIS軟件實驗數(shù)據(jù)記錄、公式庫的調(diào)用和自由表達式的輸入、計算、圖線分析等功能，方便、精確、快捷地驗證了查理定律：一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，它的壓強跟熱力學溫度成正比.不僅實驗數(shù)據(jù)相當理想，實驗結果令人信服，而且能夠基于實驗數(shù)據(jù)進行智能化的描點、繪圖，強化了學生對物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的認識和理解.

科學探究既是一種教學模式，也是一種創(chuàng)造性的活動.它以探究科學規(guī)律為出發(fā)點，以學生的探究活動為中心，以培養(yǎng)學生的探究能力為目標，從而提高學生的科學素養(yǎng)、實現(xiàn)學生的全面發(fā)展.運用數(shù)字化信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)物理實驗整合，可以實現(xiàn)課堂實驗探究教學.

從以上實驗案例可以看出DIS與物理實驗整合后，有如下優(yōu)勢：

(1)高效演繹實驗過程，凝結瞬息即逝的暫態(tài)變化

很多物理實驗過程瞬間發(fā)生、稍縱即逝，學生對實驗現(xiàn)象很難進行細致全面的觀察.DIS實驗技術能真實地記錄物理量的變化過程，并可以進行真實的控制重現(xiàn)，實驗過程清楚直觀，便于課堂討論，得出結論.

(2)超越傳統(tǒng)儀表的測量范疇，使研究物理量的變化從定性走向定量

由于條件限制，傳統(tǒng)實驗許多都是定性了解，引入DIS后，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，上升到定量研究.可極大地提升學生探究問題的層次，即對問題由感性認識上升到理性認識.

(3) 提高實驗課的教學效果

計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能可以提高處理實驗數(shù)據(jù)的速度和精確度，使師生從大量繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來，有更多的時間去觀察實驗，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題.增加了課堂上進行科學探究活動的時間，從而優(yōu)化了課堂教學，提高了物理課堂教學效果.

5結論

以上研究分析說明，DIS與物理實驗教學的整合可以解決傳統(tǒng)實驗難以解決的問題，完成常規(guī)儀器難以完成的實驗，難以驗證的公式、定律，填補傳統(tǒng)實驗的空白，并且提高了測量精度和教學效果[3].這正是現(xiàn)代教育技術下的實驗教學優(yōu)越于傳統(tǒng)實驗的地方.所以，數(shù)字化信息技術應用于物理實驗教學是一次教學手段的革新，是教育技術的進步.無論理論還是實踐都證明了DIS技術應用于教學的作用是不可低估的.隨著時間的推移，這一現(xiàn)代教育技術手段的作用將日益顯著地顯現(xiàn)出來.

參 考 文 獻

1中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準.北京：人民教育出版社，2003.64

2南國農(nóng).讓信息技術有效地推進教學改革.中國電化教育，2007(1)：5～7

3任俊仙. DIS與物理實驗教學的整合.中國教育信息化，2010(9)：41～43

4劉曉瑩.信息技術與課程整合的研究現(xiàn)狀與趨勢分析.電化教育研究，2007(4)：69～72

The Integration of DIS and Physics Experiment Teaching

Ren Junxian

(Department of Physics,Taiyuan Normal Institute,Taiyuan,Shanxi030031)

Abstract:Ideas of the article from the modern teaching by the digital information system (DIS) , application of the background analysis, composition and function of education, and demonstration of DIS experiments and physical experiments to explore integration of case analysis. That the digital information system and the physical experiment teaching integration is to overcome the traditional laboratory instruments a variety of defects, optimize the physical experiment teaching process, improve the teaching efficiency and quality. DIS successfully open physics experiment teaching of the digital age, and reflet the new curriculum teaching philosophy.

Key words:DIS; inquiry experiment; demonstration experiment;integrate