高中物理傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的比較研究

李文淵

摘?要：DIS實驗是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器將一些非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號，再通過計算機的運算，在熒光屏上顯示出各個物理量，或者繪制出各類物理圖像來分析實驗結(jié)果的實驗方法。它具有簡潔、快速、準確、直觀的特點，已經(jīng)成為現(xiàn)代中學(xué)物理非常重要的實驗教學(xué)手段。研究DIS實驗與傳統(tǒng)實驗之間的優(yōu)劣，明確DIS實驗對于優(yōu)化中學(xué)物理實驗的積極作用，并探究DIS實驗在中學(xué)物理實驗中的實施策略，為提升中學(xué)物理實驗的教學(xué)質(zhì)量創(chuàng)造現(xiàn)代化技術(shù)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：高中物理;DIS實驗;傳統(tǒng)實驗;比較研究

一、 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，中學(xué)物理的實驗手段也在不斷發(fā)展進步。DIS實驗系統(tǒng)可以利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器能夠?qū)⑽灰?、速度、加速度、力、壓強、溫度等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號，通過處理軟件及計算機的運算，將測量的物理量顯示在熒光屏上，或者繪制出各類物理圖，用來進行實驗結(jié)果分析的一種數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗裝備。利用DIS實驗系統(tǒng)可以使實驗過程簡單化、實驗裝備簡易化、實驗數(shù)據(jù)可視化、實驗結(jié)果直觀化，因此具有簡潔、方便、準確、直觀的特點，能夠為中學(xué)物理實驗教學(xué)創(chuàng)造現(xiàn)代化技術(shù)環(huán)境，已經(jīng)成為現(xiàn)代中學(xué)物理非常重要的實驗教學(xué)手段。本文將通過實驗教學(xué)實踐與對比研究，對于DIS實驗與傳統(tǒng)實驗之間的優(yōu)劣做出判斷，明確DIS實驗對于優(yōu)化中學(xué)物理實驗的積極作用，為在中學(xué)物理實驗中運用DIS實驗系統(tǒng)探明方向，充分利用數(shù)字化信息技術(shù)手段為中學(xué)物理實驗教學(xué)開辟新的路徑。

二、 傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的器材比較

（一）DIS實驗器材

DIS（Digital Information System）實驗器材主要是現(xiàn)代高科技裝備材料，是以數(shù)字化信息技術(shù)理論作為技術(shù)理論支撐，其核心設(shè)備有：傳感器、數(shù)據(jù)采集器、實驗軟件及計算機等，其中傳感器中包括電流、微電流、電壓、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等多種設(shè)備。數(shù)據(jù)采集器與計算機以串行方式通信，采用四路并行輸入，即可同時接入四種傳感器并收集四種不同的物理量。

DIS實驗軟件是一套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，是一種計算機運算程序。其中實驗軟件包括教材實驗專用軟件和實驗通用擴展軟件兩種。教材實驗專用軟件是專門針對物理教材中的每一個實驗開發(fā)的，幾乎能夠滿足物理教材中的所有演示實驗和學(xué)生實驗的需要。實驗通用擴展軟件是為了豐富物理實驗路徑，為教師和學(xué)生提供更為廣泛的探索與創(chuàng)新實驗設(shè)計的實驗處理軟件，利用這些軟件教師和學(xué)生可以自己設(shè)計實驗，進行個性化的實驗與學(xué)習。

DIS實驗器材的特點是能準確、動態(tài)地采集實驗信息，并能夠利用函數(shù)圖像處理功能，由計算機及實驗軟件輔助實現(xiàn)數(shù)字化顯示，快速、直觀、形象地展示出實驗結(jié)果。

（二）傳統(tǒng)實驗器材

縱觀現(xiàn)有的傳統(tǒng)物理實驗器材，大多都是以最基礎(chǔ)的物理測量、演示儀器為主，是以實現(xiàn)最基本的物理知識和物理現(xiàn)象作為理論支撐，其主要設(shè)備有：學(xué)生電源、彈簧測力計、打點計時器、秒表、直尺、游標卡尺、螺旋測微儀、天平、靜電計、電壓表、電流表、多用電表、溫度計等等。

傳統(tǒng)實驗器材的特點是功能單一、測量繁多、組合復(fù)雜，進行一個實驗都必須由多種儀器組合起來實現(xiàn)，組合附件多、調(diào)節(jié)難度大，使得實驗進程緩慢，精度不高，實驗信息處理只能由人工進行大量的計算、作圖和分析。

三、 傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的實驗誤差比較

（一）偶然誤差

偶然誤差是實驗中由于操作和讀數(shù)不準確造成的誤差，在傳統(tǒng)實驗中偶然誤差在整個實驗誤差中具有相當大的占比。而DIS實驗系統(tǒng)是自動采集實驗信息（數(shù)據(jù)和方向），因而可以基本消除實驗過程中的偶然誤差。因此，對于偶然誤差明顯是DIS實驗優(yōu)于傳統(tǒng)實驗。

（二）系統(tǒng)誤差

對于系統(tǒng)誤差，即實驗器材與方法帶來的誤差，我們通過幾個測量工具進行比較分析。時間測量工具：傳統(tǒng)實驗中一般都是利用秒表或者是利用打點計時器測量時間。秒表的最小數(shù)量級為0.1秒，如果算上估讀到0.01秒。而打點計時器是每個點間隔 0.02 秒。而用DIS實驗系統(tǒng)中測量時間的調(diào)整范圍在“0.1ms～7500ms”之間。它能根據(jù)不同實驗的要求選擇“快”“默認值”“慢”三個擋位進行調(diào)節(jié)測量時間的精度和范圍。溫度測量工具：傳統(tǒng)實驗中測量溫度都是利用水銀溫度計，水銀溫度計的精確度只在小數(shù)點后兩位，而且小數(shù)點后第二位已經(jīng)是估計值。而用DIS實驗中的溫度探頭（溫度傳感器）測量溫度變化，不但可以準確地測量出任意時刻的溫度，而且它的測量范圍在（0℃～100℃），精度為±1%。從以上測量工具的精確度不難看出，DIS實驗在系統(tǒng)誤差上也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實驗。

四、 傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的時間比較

在實施課題研究的過程中，分別對DIS實驗與傳統(tǒng)實驗中的操作時間與學(xué)生交流討論時間進行了跟蹤記錄，在獲取大量對比數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，取平均值進行統(tǒng)計分析，下面以表格形式列舉四個實驗予以說明，如表1。

從表1明顯可以看出，在操作時間上DIS實驗比傳統(tǒng)實驗基本要少于一倍以上，這樣就可以減少重復(fù)性操作，學(xué)生可以用更多的時間和精力對物理過程和實驗誤差進行分析，來探究物理實驗的實質(zhì)性問題，掌握更為豐富的物理知識。

五、 傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的數(shù)據(jù)處理對比

實驗數(shù)據(jù)處理是物理實驗十分重要的步驟，也是體現(xiàn)實驗教學(xué)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)實驗的數(shù)據(jù)處理都是要學(xué)生通過實驗記錄的數(shù)據(jù)進行大量的運算，或者在坐標紙上利用描點法進行手工作圖，既要花大量的時間，還存在大量的偶然誤差，可能使得實驗結(jié)果不準確，甚至導(dǎo)致實驗失敗。而DIS實驗?zāi)軌蜃詣邮占瘮?shù)據(jù)，并通過實驗軟件將計算結(jié)果或圖像直接呈現(xiàn)在熒光屏上，通過導(dǎo)出程序下載，或者直接打印出來，而這些過程可以在很短的時間內(nèi)由計算機自動完成。特別對于圖像的處理非常準確、快捷，是手工作圖無法比擬的。下面以“探究氣體壓強與體積關(guān)系”的實驗為例作以比較。

在“探究氣體壓強與體積關(guān)系”的傳統(tǒng)實驗中，需要測量讀取5組以上的壓強（p）、體積（V），然后在坐標紙上以壓強（p）建立縱軸、以體積（V）建立橫軸，根據(jù)數(shù)據(jù)利用描點法描出實驗點，再根據(jù)描出的點畫出光滑曲線，而這個畫光滑曲線的過程學(xué)生很難掌握，往往要花很長的時間，并且由于畫出的圖線是曲線，無法判斷壓強與體積的具體關(guān)系，又要將體積（V）的數(shù)值計算成1V的值，再進行作圖，得到的圖線為一條傾斜的直線，才能得出：氣體壓強與體積成反比的實驗結(jié)論。以上實驗數(shù)據(jù)處理過程往往要花上十分鐘左右的時間。

如果利用DIS實驗系統(tǒng)，上述實驗數(shù)據(jù)的處理過程就相當簡單，數(shù)據(jù)直接由計算機收集生成到表格中，利用專用的實驗軟件，自動生成數(shù)據(jù)點并形成圖線，如圖1所示。

再利用計算機將體積（V）的數(shù)值計算成1V的值，再進行作圖，就可迅速得到p1V的圖線，如圖2所示。

從以上圖示明顯體現(xiàn)出利用DIS實驗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢所在：作圖簡潔精確，用時極短。避免了手工作圖的煩瑣與粗略。

六、 結(jié)語

通過上述對比分析，DIS實驗與傳統(tǒng)實驗相比較有諸多方面的優(yōu)勢，其實驗器材、實驗操作、實驗時間、實驗精確程度、實驗數(shù)據(jù)處理等方面都普遍要比傳統(tǒng)實驗要優(yōu)越，實驗效果更好。但也要注意到，使用DIS實驗會大量減少實驗操作過程，這對學(xué)生的動手實驗?zāi)芰Φ奶岣哂兄恍〉臎_擊，還有由于大量使用傳感器測量物理量，對于測量工具的使用就會大量減少，這也會使學(xué)生在正確使用測量工具的技能上造成一定程度的影響，等等。因此，我們認為不應(yīng)完全拋棄傳統(tǒng)實驗，有效的做法應(yīng)該是對傳統(tǒng)實驗與DIS實驗進行合理整合，讓兩類實驗都能最大限度地發(fā)揮出各自的教學(xué)優(yōu)勢，培養(yǎng)和提高學(xué)生的實驗?zāi)芰εc綜合素質(zhì)。

作者簡介：

李文淵，甘肅省定西市，甘肅省臨洮中學(xué)。