巧用DIS實(shí)驗(yàn) 助力物理課堂

高岱亮 田春鳳

摘 要：以“超重與失重”和“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行對(duì)比分析，改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的過(guò)程和結(jié)果的顯示不夠直觀、過(guò)程實(shí)施和數(shù)據(jù)處理存在偏差的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程；實(shí)驗(yàn)結(jié)果；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）9-0057-3

1 問(wèn)題的提出

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)起到了舉足輕重的作用。首先，實(shí)驗(yàn)?zāi)転閷W(xué)生學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律提供符合認(rèn)知的環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念和規(guī)律的理解。其次，實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生的科學(xué)探究能力，掌握科學(xué)研究方法[1]。

DISLab（Digital Information System Laboratory，下文均簡(jiǎn)稱DIS）是“數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”的簡(jiǎn)稱，是國(guó)內(nèi)眾多高中學(xué)校普遍使用的信息化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包含傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)軟件、DIS專用小車、軌道、數(shù)據(jù)線等。

運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，能在一定程度上改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中存在的上述問(wèn)題。

2 DIS實(shí)驗(yàn)——助力高效物理課堂

2.1 直觀展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，促進(jìn)對(duì)物理概念本質(zhì)的理解

部分傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在過(guò)程和結(jié)果的顯示上不夠形象直觀，很難揭示物理概念或規(guī)律產(chǎn)生的原因，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。DIS信息化物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪柚鷤鞲衅骱陀?jì)算機(jī)軟件形象地模擬出變量之間關(guān)系的圖線，使得一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不容易實(shí)現(xiàn)的過(guò)程或現(xiàn)象展示給學(xué)生，為學(xué)生對(duì)物理概念的深入理解和靈活運(yùn)用提供了基礎(chǔ)。

【案例：超重與失重】

人教版高中物理必修1教材“用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題（二）”中的“超重與失重”部分，教師在進(jìn)行該部分教學(xué)時(shí)會(huì)遇到以下2個(gè)問(wèn)題：

（1）“超重與失重”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，過(guò)程的顯示不夠清晰直觀且時(shí)間極短，不容易讓學(xué)生捕捉到所要描述的信息。例如，有的老師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一裝滿水的扎孔塑料瓶（圖1），讓其從高處自由下落，現(xiàn)象是水不會(huì)從塑料瓶的孔中流出。該實(shí)驗(yàn)因?yàn)樗芰掀柯涞貢r(shí)間很短，學(xué)生觀察的效果不是很理想。因此，有教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改進(jìn)，在瓶外做個(gè)紙糊架，通過(guò)看水噴出后在紙上是否留下痕跡來(lái)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果。架子上糊的紙?jiān)诟倪M(jìn)的實(shí)驗(yàn)中起到了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“保存”功能，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果顯示的“短暫性”沒(méi)有改進(jìn)。

（2）學(xué)生在學(xué)習(xí)本部分之前，由于對(duì)生活經(jīng)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，會(huì)存在錯(cuò)誤的前概念：認(rèn)為“超重”就是重力變大，“失重”就是重力變小甚至趨近于0。

針對(duì)上述問(wèn)題，教師在教學(xué)過(guò)程中要合理、巧妙地創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，直觀地展示出“超重”與“失重”概念的本質(zhì)。學(xué)生在理解其本質(zhì)后，通過(guò)與之前的認(rèn)知進(jìn)行對(duì)比，能夠促進(jìn)對(duì)錯(cuò)誤前概念的轉(zhuǎn)變。因此，在設(shè)計(jì)“超重與失重”實(shí)驗(yàn)教學(xué)片段時(shí)，教師可以運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察超重與失重現(xiàn)象，探究產(chǎn)生超重與失重的原因。

（二）實(shí)驗(yàn)原理：物體在向上或向下做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)支持物的作用力大于或小于重力，這種現(xiàn)象稱為超重或失重。

（三）實(shí)驗(yàn)器材：DIS拉力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、不同質(zhì)量的鉤碼若干、DIS專用軟件、部分連接線。

（四）實(shí)驗(yàn)過(guò)程[2]：

過(guò)程1：將拉力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，選擇“示波”顯示方式。

過(guò)程2：手握傳感器的手柄，使其側(cè)鉤豎直向下，點(diǎn)擊“調(diào)零”。

【說(shuō)明】由于DIS傳感器的精密程度較高，在使用之前需要有“調(diào)零”的過(guò)程，以免后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)誤差。

過(guò)程3：引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前猜想超重與失重對(duì)應(yīng)的“F-t”圖線可能出現(xiàn)的形狀。

【說(shuō)明】在教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示進(jìn)行猜想，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，同時(shí)也能使學(xué)生領(lǐng)悟到信息化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要意義。

過(guò)程4：將鉤碼懸掛在拉力的側(cè)鉤上，然后手持傳感器（如圖2所示）沿垂直于地面的方向以下面四種狀態(tài)加速升降：①加速下降；②加速上升；③過(guò)了幾秒后再加速上升；④加速下降。

過(guò)程5：觀察波形的變化，然后點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)屏幕上的“停止”，回放“F-t”圖線（如圖3所示）。

過(guò)程6：根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的“F-t”圖線，引導(dǎo)學(xué)生分析推斷該圖線在不同區(qū)段所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證之前的猜想與假設(shè)。

過(guò)程7：改變重物上升、下降的加速度或重物的質(zhì)量，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察此時(shí)的“F-t”圖線與圖3之間的差別，分析討論其原因。

【說(shuō)明】實(shí)驗(yàn)過(guò)程創(chuàng)設(shè)的情境通俗易懂，結(jié)果的顯示形式還是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不容易達(dá)到的。由于拉力傳感器中的“力信號(hào)”和“電信號(hào)”之間的轉(zhuǎn)換，因此“F-t”圖線能夠?qū)崟r(shí)地把鉤碼在升降過(guò)程中受到的拉力大小完整地“保存”下來(lái)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果顯示形象直觀，教師和學(xué)生通過(guò)觀察圖3以及改變加速度和物塊質(zhì)量進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)所顯示的圖線，引導(dǎo)學(xué)生分析這些圖線中物塊在每一時(shí)刻的受力情況，不難得出超重與失重概念的本質(zhì)：即“超重”與“失重”不是物體的重力發(fā)生了變化，而是受到拉力的改變。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚯擅畹貜浹a(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“過(guò)程和結(jié)果瞬間變化”的不足，糾正學(xué)生對(duì)物理概念產(chǎn)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)概念的轉(zhuǎn)變。

2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的處理，提高探究興趣

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，但是存在著以下2個(gè)問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)在實(shí)施的過(guò)程中，由于外部環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生偏差。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在處理的過(guò)程中存在誤差。

上述案例生動(dòng)地表明：

信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)能在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，利用高科技手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在信息化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)勤于思考、樂(lè)于探究。DIS信息化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)軟件的精密程度高，能對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，減少由于外部環(huán)境影響而帶來(lái)的偏差，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中借助計(jì)算機(jī)軟件，能進(jìn)一步減小傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理時(shí)帶來(lái)的誤差。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中能從數(shù)據(jù)記錄、公式計(jì)算、圖線描繪等繁瑣的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，提高探究的興趣，更加樂(lè)于學(xué)習(xí)物理。

關(guān)于驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的案例，可參閱本文參考文獻(xiàn)[3]。

3 總結(jié)與反思

在教學(xué)過(guò)程中，我們應(yīng)該充分發(fā)揮信息化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。將DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的顯示上形象直觀，有助于學(xué)生快速、準(zhǔn)確地理解物理概念；同時(shí)，能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程和對(duì)結(jié)果的處理，增強(qiáng)學(xué)生的探究興趣，對(duì)提高學(xué)生的信息化實(shí)驗(yàn)探究能力具有重要的意義。一線教師在教學(xué)過(guò)程中，要積極開(kāi)發(fā)DIS實(shí)驗(yàn)資源，將其運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，構(gòu)筑信息化、高效化的物理課堂。

參考文獻(xiàn)：

[1]李新鄉(xiāng)，張軍朋.物理教學(xué)論[M].北京：科學(xué)出版社，2009：254—255.

[2]王民華.數(shù)字化信息系統(tǒng)在物理教學(xué)中的應(yīng)用——“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計(jì)片段與體會(huì)[J].物理教學(xué)探討，2012，30（9）：79—81.

[3]孟小兵.DIS技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合——機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].物理教學(xué)探討，2011，29（9）：53—55.

[4]張金權(quán).DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與物理探究教學(xué)整合的策略[J].物理教學(xué)探討，2013，31（11）：56—59.

（欄目編輯 王柏廬）