應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)優(yōu)化高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

李煥新

摘 要：隨著現(xiàn)代技術(shù)與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷融合，DIS實(shí)驗(yàn)走進(jìn)了高中物理課堂。DIS實(shí)驗(yàn)有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，作為高中物理教師也要與時(shí)俱進(jìn)，不斷的調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)方式，優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使高中物理更高效，更富有吸引力，能吸引更多的學(xué)生選修物理。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；新課程；教育信息化；核心素養(yǎng) 高中物理

面對日趨激烈的國際競爭，2017年教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了“立德樹人，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，滿足學(xué)生終身發(fā)展的需求，關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求，提倡教學(xué)方式多樣化”。新課程標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)課程內(nèi)容與生活中物理以及現(xiàn)代社會(huì)和科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用所帶來的各種問題，引導(dǎo)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)，倡導(dǎo)教師通過多樣化的教學(xué)方式[ 1 ]，利用現(xiàn)代信息技術(shù)增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決問題的能力。

DIS實(shí)驗(yàn)通常指在實(shí)驗(yàn)過程中利用傳感器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、通過數(shù)據(jù)采集器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用電腦記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果[ 2 ] 。DIS實(shí)驗(yàn)是教育信息化不可缺少的組成部分，利用DIS實(shí)驗(yàn)可使很多實(shí)驗(yàn)的測量精度大大提升，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更高效，可以優(yōu)化高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 為什么要推廣DIS實(shí)驗(yàn)

1.1 是教育信息化的需要

教育信息化是指在各級(jí)教育行政部門的規(guī)劃、指導(dǎo)和組織下，在教育系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域全面深入地應(yīng)用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教育信息化、現(xiàn)代化的過程[ 3 ]。它將使我國的教育更高效、更符合時(shí)代要求。在中小學(xué)教學(xué)中教育信息化體現(xiàn)在教學(xué)過程、教學(xué)管理、教學(xué)反饋、教學(xué)評價(jià)等方面深入地應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)。DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理課堂的普及，是高中物理課堂教學(xué)的重大變革，對傳統(tǒng)的教學(xué)理念、方式、內(nèi)容和方法產(chǎn)生巨大的影響[ 4 ]。DIS實(shí)驗(yàn)正潛移默化地轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊慕逃枷牒徒逃^念，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

1.2 有利于培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中占十分重要的地位。高中生在學(xué)習(xí)物理的過程中，需要面對大量的物理實(shí)驗(yàn)。物理實(shí)驗(yàn)對學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的形成起到至關(guān)重要的作用，從物理觀念的形成到科學(xué)思維的培養(yǎng)再到科學(xué)探究的意識(shí)以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的具備，每一個(gè)環(huán)節(jié)都與觀察實(shí)驗(yàn)息息相關(guān)。同時(shí)，從浙江和上海的高考選考情況反映出學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理時(shí)面臨的困難。因此，作為高中物理教師要有正確的教學(xué)方法的引導(dǎo)，才能盡量避免物理在學(xué)生心中的尷尬地位。如果高中物理教師能重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用，應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和訓(xùn)練科學(xué)的思維方法，將會(huì)助力于我國教育目前推崇“核心素養(yǎng)教育”。DIS實(shí)驗(yàn)不僅僅是手、腦并用的實(shí)踐活動(dòng)，同時(shí)由于它與現(xiàn)代科技的發(fā)展更加緊密更加能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過查閱相關(guān)傳感器實(shí)驗(yàn)資料、理解實(shí)驗(yàn)儀器工作原理、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、排除實(shí)驗(yàn)故障、通過軟件得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等活動(dòng)，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維能力、物理學(xué)科與信息技術(shù)的整合能力、觀察能力、分析論證能力以及語言表達(dá)能力都能得到鍛煉。

1.3 使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更高效

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)十分重視儀器儀表方面的要求。首先要學(xué)會(huì)選擇合適量程的儀器儀表，其次要弄清儀器儀表的精確度是否符合實(shí)驗(yàn)要求，再次要明確實(shí)驗(yàn)對儀器儀表的讀數(shù)方法，最后還要懂得數(shù)據(jù)記錄與處理。每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)給學(xué)生造成困擾。應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)對學(xué)生要求轉(zhuǎn)為要了解各種傳感器的使用方法，會(huì)選擇合適的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，會(huì)應(yīng)用電腦軟件等等。而對于讀數(shù)、精確度、數(shù)據(jù)處理等都將由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦來完成。比如在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，利用傳統(tǒng)的電流表和電壓表測量電流和電壓，先要學(xué)會(huì)選擇合適量程的電流表和電壓表，其次還要注意電流表和電壓表的讀數(shù)方法，最后還要用描點(diǎn)法在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，再用平滑曲線連接。而DIS實(shí)驗(yàn)則不用這么麻煩，只要利用電流和電壓傳感器，通過數(shù)據(jù)采集器直接在電腦軟件中顯示電流和電壓的數(shù)值并做出圖象。總之，DIS實(shí)驗(yàn)會(huì)大大提高物理實(shí)驗(yàn)效率。

1.4 更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣

實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直以來被物理教師視為激發(fā)學(xué)習(xí)興趣最有效方法。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于儀器相對簡單、老舊，學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的熱情很難提高，對于學(xué)習(xí)幾百年前的物理知識(shí)部分學(xué)生總提不起興致，這對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣效果不明顯。DIS實(shí)驗(yàn)相對來說看起來更加的“高大上”，更貼近時(shí)代，更有新鮮感，更有吸引力，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的動(dòng)力。在教學(xué)中如果我們能善于觀察學(xué)生的表現(xiàn)并因勢利導(dǎo)，將學(xué)生的好奇心、對實(shí)驗(yàn)探究的興趣逐漸轉(zhuǎn)化為探求科學(xué)知識(shí)的動(dòng)力，也會(huì)使物理在學(xué)生心目中的地位得到提升。

2 如何更有效的應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)

2.1 遇到難以觀測的實(shí)驗(yàn)

在高中物理教學(xué)中經(jīng)常會(huì)遇到一些難以觀測的實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不能清楚呈現(xiàn)的。特別是有些用時(shí)比較短暫的實(shí)驗(yàn)。比如選修3-1中“觀測電容器的充放電”實(shí)驗(yàn)，雖然利用傳統(tǒng)的電流表能觀察到電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)和電流方向，但是想進(jìn)一步觀察電流大小的變化情況就無法做到了。利用電流傳感器通過電腦就可以清楚把電流隨時(shí)間變化規(guī)律呈現(xiàn)出來了。又如“驗(yàn)證動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)”，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在速度的測量上通過遮光條遮住光電門的時(shí)間來計(jì)算速度，誤差是比較大的。應(yīng)用速度傳感器可以更直觀把速度顯示出來，也可以通過電腦快速算出碰撞前的動(dòng)量和碰撞后動(dòng)量。

2.2 遇到難以控制的實(shí)驗(yàn)

除了遇到難以測量的實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中也會(huì)經(jīng)常遇到難以控制的實(shí)驗(yàn)。比如必修1中“測量最大靜摩擦力”這個(gè)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常是利用裝有細(xì)沙的小桶通過細(xì)繩繞過定滑輪拉動(dòng)小滑塊，在小滑塊剛要滑動(dòng)的瞬間所對應(yīng)的沙和桶的重力作為小滑塊的最大靜摩擦力。首先本實(shí)驗(yàn)中剛要滑動(dòng)的瞬間，看起來簡單但實(shí)際操作時(shí)往往難以控制，如果處理不好還會(huì)出現(xiàn)細(xì)沙灑落的情況。同時(shí)，由于細(xì)繩與滑輪等存在的摩擦都會(huì)對于最終的測量造成較大的誤差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用力傳感器再通過電腦整個(gè)問題就容易多了。

2.3 對于數(shù)據(jù)處理要求高的

由于課堂教學(xué)時(shí)間的限制，很多的實(shí)驗(yàn)我們在測量時(shí)只能粗略計(jì)算，甚至有些實(shí)驗(yàn)只能定性分析，無法做到定量計(jì)算，更談不上精確測量了。例如，通過控制變量法“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)。傳統(tǒng)的向心力演示器雖然有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但無法精確測量角速度和向心力，更談不上二者之間的定量關(guān)系?，F(xiàn)在教學(xué)中新的向心力DIS實(shí)驗(yàn)演示器通過藍(lán)牙與電腦連接，可以顯示向心力隨角速度變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，借助于電腦軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別做出向心力與角速度一次方的圖象和向心力與角速度二次方的圖象，可以精確得到兩個(gè)物理量之間的關(guān)系。這些在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)上是實(shí)現(xiàn)不了的。

2.4 對測量精度要求較高的

任何實(shí)驗(yàn)都有誤差。實(shí)驗(yàn)誤差可分為兩類：系統(tǒng)誤差和偶然誤差。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)大多需要人工讀取和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此偶然誤差占實(shí)驗(yàn)總誤差的很大比例。DIS實(shí)驗(yàn)可以自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以通過圖象進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合（通過軟件可以實(shí)現(xiàn)一次擬合、二次擬合等），從而基本上最小化了偶然誤差。比如在做“平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用二維空間描跡儀，把平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡通過傳感器進(jìn)行空間定位并傳輸?shù)诫娔X中并進(jìn)行描點(diǎn)，并對所描點(diǎn)進(jìn)行擬合，大大減小了實(shí)驗(yàn)誤差。

3 應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)幾點(diǎn)個(gè)人看法

3.1 在使用DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能拋棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果每節(jié)課都采用DIS實(shí)驗(yàn)把傳統(tǒng)的一些實(shí)驗(yàn)都拋棄了，這顯然不利于高中物理教學(xué)。好多傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)非常巧妙，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常清楚，方法非常簡單明了，獲得的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也更富有真實(shí)感，學(xué)生更容易接受，也很喜歡，沒必要都拋棄不用。

3.2 在使用DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)，要向?qū)W生簡要地介紹儀器的工作原理

好多DIS實(shí)驗(yàn)儀器制作很精美，但是由于學(xué)生是第一次接觸這種儀器，搞不清楚儀器的工作原理。這時(shí)作為老師就不能想當(dāng)然地認(rèn)為這個(gè)儀器很簡單，一拿起來就直接開始操作。實(shí)際上即便是老師，如果他以前沒用過這個(gè)儀器，第一次看到也是一頭霧水。正因?yàn)檫@樣，在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)對儀器的工作過程加以介紹，讓學(xué)生弄清實(shí)驗(yàn)是如何進(jìn)行的，數(shù)據(jù)是怎么來的。

3.3 在使用DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

對一些可自行組裝和改進(jìn)的分離式傳感器，可引導(dǎo)學(xué)生面對實(shí)際情況，提出并準(zhǔn)確表達(dá)可探索的物理問題，從不同角度作出科學(xué)假設(shè)，制定科學(xué)的探究方案。比如電路部分實(shí)驗(yàn)中很多DIS實(shí)驗(yàn)采用磁吸式模塊化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以讓學(xué)生快速靈活地選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自己的一些想法，有了一定的創(chuàng)新，而且通過采集器來獲取數(shù)據(jù)，并用電腦軟件顯示并處理數(shù)據(jù)。通過DIS實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生找出規(guī)律并快速得出合理的結(jié)論。

總之，DIS實(shí)驗(yàn)有利于國家教育信息化的開展，有利于現(xiàn)代技術(shù)與高中物理的深度融合。合理使用，DIS實(shí)驗(yàn)將會(huì)比傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)更有效率，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，更有利于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。建議有條件的地區(qū)為學(xué)校專門創(chuàng)建數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)教師演示用的數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，重視引導(dǎo)教師研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法，研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)手段與方式的現(xiàn)代化。

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