整合DIS與自制教具 優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

吳禮晨+查漢華+楊海青

摘 要：本文通過DIS數(shù)字信息系統(tǒng)與教師自制教具教學(xué)資源的深度整合，以實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)策略，顯性化研究物理現(xiàn)象、定量化建構(gòu)物理概念、可視化建立物理規(guī)律，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高物理教學(xué)的有效性。

關(guān)鍵詞：DIS數(shù)字信息系統(tǒng)；自制教具；資源整合；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

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）12-0052-3

《物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分為三大部分，第一位的就是“科學(xué)探究及物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蟆薄０盐锢韺?shí)驗(yàn)?zāi)芰σ笞鳛閮?nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)獨(dú)立的主題，物理實(shí)驗(yàn)在《物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中的地位是顯而易見的。物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)認(rèn)知、體現(xiàn)科學(xué)觀念及科學(xué)方法論等方面均能發(fā)揮重要作用?；诖耍段锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》大力提倡發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用。課標(biāo)建議“盡可能讓學(xué)生嘗試用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)用通用軟件來簡(jiǎn)單處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”，同時(shí)“還提倡用身邊常見的生活器具來做物理實(shí)驗(yàn)”[1]?！痘A(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》明確要求：積極開發(fā)并合理利用校內(nèi)外各種課程資源，教育部在《關(guān)于新形勢(shì)下進(jìn)一步做好普通中小學(xué)裝備工作的意見》明確提出鼓勵(lì)教師自制教具。基于這些文件的理念指導(dǎo)和強(qiáng)烈建議，結(jié)合對(duì)物理實(shí)際教學(xué)存在的問題分析，發(fā)揮教師立德樹人的熱情及創(chuàng)造力，在整合自制教具的課程資源與DIS數(shù)字信息系統(tǒng)的現(xiàn)代信息技術(shù)，定量化收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、快捷化處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可視化顯示物理規(guī)律上做了一些嘗試?，F(xiàn)代信息技術(shù)與自制教具資源的有機(jī)整合，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，開闊了學(xué)生的視野，拓展了學(xué)生的思維。

1 顯性化研究物理現(xiàn)象——超重失重現(xiàn)象

1.1 實(shí)驗(yàn)探究的必要性

超重與失重是高中物理中具有典型性與代表性的問題之一。但是，教材及老師的課堂處理，使學(xué)生在學(xué)習(xí)上沒有經(jīng)歷情境探究、知識(shí)構(gòu)建的過程。因此，在教學(xué)效果上學(xué)生對(duì)于超重與失重的物理本質(zhì)內(nèi)涵存在很多困惑?！段锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》對(duì)此有明確要求：通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重與失重。依據(jù)超重失重的物理現(xiàn)象的特點(diǎn)，高中學(xué)生的認(rèn)知心理規(guī)律及課程標(biāo)準(zhǔn)的理念要求，我們嘗試整合DIS系統(tǒng)與自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)。

1.2 實(shí)驗(yàn)探究

【實(shí)驗(yàn)器材】 DIS系統(tǒng)軟件，計(jì)算機(jī)，無線力傳感器，無線加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集器及無線接口。自制教具模擬電梯如圖1，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。

【實(shí)驗(yàn)操作】

（1）按圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，打開DISLab7.2軟件，開啟無線加速度、力傳感器開關(guān)；

（2）點(diǎn)擊軟件加速度傳感器端口按鈕，在加速度實(shí)時(shí)采集欄中選擇Z維度并調(diào)零。再選擇軟件力傳感器端口按鈕并調(diào)零。點(diǎn)擊計(jì)算表格按鈕，將采集間隔調(diào)整為0.2 s。

（3）在力傳感器下掛上2 N砝碼，點(diǎn)擊自動(dòng)記錄開始按鈕，并同時(shí)將模擬電梯從最低端靜止釋放。在模擬電梯完成2～3個(gè)周期后，用手停止其運(yùn)動(dòng)。

（4）點(diǎn)擊繪圖按鈕，分別作出F-t、a-t圖像。（為區(qū)別可采取不同顏色標(biāo)注）

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】 獲得的數(shù)據(jù)如圖3，通過繪圖得到圖像如圖4，其中F-t（圖線1）、a-t（圖線2）。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 加速度向上，物體處于超重狀態(tài)。加速度向下，物體處于失重狀態(tài)。

【注意事項(xiàng)】 實(shí)驗(yàn)前“電梯”需要調(diào)整裝置水平狀態(tài)，確?！半娞荨痹谪Q直平面內(nèi)做一維運(yùn)動(dòng)，盡量減小“電梯”與鋼柱間的摩擦。調(diào)整彈簧上端懸線長(zhǎng)度，挑選自制教具中三個(gè)彈簧的勁度系數(shù)，盡量模擬真實(shí)的電梯運(yùn)行，提高實(shí)驗(yàn)與生活情境的真實(shí)接近性。同時(shí)，做好運(yùn)動(dòng)時(shí)的上下緩沖，調(diào)節(jié)“電梯”振幅，使物理圖像可視化較好。DIS系統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)置為0.2 s為宜。

2 定量建構(gòu)物理概念——磁感應(yīng)強(qiáng)度B的概念

2.1 實(shí)驗(yàn)探究的必要性

磁感應(yīng)強(qiáng)度是電磁學(xué)的基本概念，也是核心概念之一，它對(duì)于“磁場(chǎng)”及其后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)，都有著關(guān)鍵性的作用。教材通過與電場(chǎng)強(qiáng)度的類比，以比值定義的方法給出了磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念。事實(shí)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)認(rèn)知上還是存在很大的困難，對(duì)于尋找如何描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量依然存在很多困惑。所以，有必要通過實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，增強(qiáng)教學(xué)的說服力，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)和證據(jù)意識(shí)，提升實(shí)驗(yàn)探究能力[2]。

2.2 實(shí)驗(yàn)探究

【實(shí)驗(yàn)器材】 DIS系統(tǒng)軟件，計(jì)算機(jī)，力傳感器，多抽頭自制線圈（圖5），間距可調(diào)的自制磁體（圖6），滑動(dòng)變阻器，學(xué)生電源，電鍵，數(shù)據(jù)連接線及導(dǎo)線等。

【實(shí)驗(yàn)操作】

（1）按如圖7方式組裝實(shí)驗(yàn)裝置，連接導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線，調(diào)試DIS配套軟件。

（2）閉合開關(guān)，采集數(shù)據(jù)開始，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，改變電流I的大小，繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，斷開開關(guān)，采集數(shù)據(jù)結(jié)束（圖8）。

（3）DIS系統(tǒng)軟件以安培力F為縱軸y，電流I為橫軸x作圖（通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度取250匝），線性擬合，如圖9。

（4）保持0匝鱷魚夾接線柱、學(xué)生電源電壓、滑動(dòng)變阻器滑片位置等不變，將另一鱷魚夾依次與50匝、100匝、150匝、200匝、250匝、300匝，DIS系統(tǒng)軟件逐個(gè)收集數(shù)據(jù)。

（5）DIS系統(tǒng)軟件以安培力F為縱軸y，通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度（匝數(shù)）為橫軸x作圖，線性擬合。最后，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析，建構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的概念。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】 獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8，DIS系統(tǒng)軟件作圖線性擬合的物理圖像如圖9（此圖8、圖9為在2015年安徽省中小學(xué)實(shí)驗(yàn)說課比賽活動(dòng)中現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像）。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線受力F與電流I和長(zhǎng)度L的乘積IL成正比。

【注意事項(xiàng)】 多抽頭自制線圈如圖5選用的漆包線直徑不宜過大，抽頭處電焊焊接不能是虛焊，繞制完成后要用棉線將線圈扎牢固，防止通電時(shí)導(dǎo)線排斥，影響平衡。線圈受力的一邊實(shí)驗(yàn)前要調(diào)制平直，實(shí)驗(yàn)時(shí)放置在間距可調(diào)磁體如圖6的平口處與磁體平行。DIS系統(tǒng)軟件采集數(shù)據(jù)時(shí)的采集頻率設(shè)置成20 Hz，不宜過高。

在可視化建立物理規(guī)律上，譬如自制實(shí)驗(yàn)教具資源與DIS中光電門的整合，可視化建立機(jī)械能守恒定律；自制多匝線圈資源與DIS微電流傳感器的整合，可視化建立法拉第電磁感應(yīng)定律等也可以有一些富有創(chuàng)意和效果優(yōu)秀的教學(xué)嘗試。

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及教學(xué)主張

DIS數(shù)字信息系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集快捷化，圖像繪制擬合使物理規(guī)律顯性化、直觀化，有利于建構(gòu)物理觀念和培養(yǎng)提高實(shí)驗(yàn)探究能力。實(shí)驗(yàn)?zāi)M生活中電梯這一工具，使物理教學(xué)更加親切；自制多匝抽頭的線圈使疊加原理和微小量放大的實(shí)驗(yàn)思想更易于理解，有利于培養(yǎng)物理科學(xué)思維。DIS數(shù)字信息系統(tǒng)的實(shí)際課堂使用，尤其是最先進(jìn)的器材——無線傳感器和最新版本的配套軟件，使物理教學(xué)更具時(shí)代性；實(shí)驗(yàn)資源的自創(chuàng)，體現(xiàn)出教學(xué)的創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的新時(shí)代創(chuàng)新精神和實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)時(shí)代意識(shí)與責(zé)任。因此，DIS數(shù)字信息系統(tǒng)與自制實(shí)驗(yàn)教具深度整合做定量實(shí)驗(yàn)，用多種方式收集數(shù)據(jù)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)、提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

研究新課程理念，深入體會(huì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)四個(gè)維度的深刻內(nèi)涵，研究物理學(xué)科的特征與學(xué)生的心理認(rèn)知規(guī)律，并以此為指導(dǎo)。在日常物理教學(xué)中開發(fā)更多更有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，引進(jìn)更具時(shí)代性的教學(xué)技術(shù)手段和多媒體技術(shù)，通過多元整合，優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為提高物理教學(xué)效果和提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)而上下求索。

參考文獻(xiàn)：

[1]物理課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）解讀[M].武漢：湖北教育出版社，2003：157—160.

[2]楊海青，楊皓.基于實(shí)驗(yàn)探究-研討模式建構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念[J].物理教學(xué)探討，2016，34（8）：78—79.

（欄目編輯 王柏廬）