DIS系統(tǒng)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王 璐，彭紅梅，隋景忠，牧 仁

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼028043；2.內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗第一中學(xué)，內(nèi)蒙古 奈曼028300）

0 引言

物理學(xué)科以實驗為基礎(chǔ)，通過實驗手段探究各種物理問題、現(xiàn)象及規(guī)律，是該學(xué)科的鮮明特點.物理實驗?zāi)芗訌?qiáng)學(xué)生對課程內(nèi)容的記憶，加深對基礎(chǔ)知識的理解，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更能培養(yǎng)學(xué)生的實驗觀察能力、科學(xué)探究能力以及物理思維.但是傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)往往因為設(shè)備不足，儀器不精密，操作費時而降低了課堂效率，限制了實驗教學(xué)的延伸發(fā)展.借助現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)設(shè)備突破實驗教學(xué)中不可測和不可看的一些實驗，是今后中學(xué)物理課堂教學(xué)中的探究方向.

2001年，我國就開始在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的部分地區(qū)，引入并實施數(shù)字化實驗，進(jìn)行課堂實踐研究，并取得較好的結(jié)果.其中，數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS，Digital Information System），在眾多現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)中表現(xiàn)優(yōu)異，深受中學(xué)物理教師與學(xué)生的認(rèn)可.而DIS實驗也由于一些局限性被許多人討論，如其不能像傳統(tǒng)實驗進(jìn)行整個過程的實驗操作，對學(xué)生的動手能力、實際問題分析能力等等有所不利.本文將借助實際案例，對DIS實驗與傳統(tǒng)實驗進(jìn)行綜合對比分析，并從中總結(jié)DIS作為現(xiàn)代化技術(shù)存在的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)實驗與DIS實驗的融合提出建議.

1 DIS實驗教學(xué)案例

物理實驗是一個包含操作、觀察、探討、分析、歸納的過程.在這個過程中引導(dǎo)學(xué)生從紛繁冗雜的物質(zhì)世界中總結(jié)出規(guī)律，并鼓勵學(xué)生透過現(xiàn)象探究掌握和完善總結(jié)出規(guī)律的方法，是中學(xué)物理教學(xué)的基本任務(wù).因此，如何使同學(xué)們直觀地認(rèn)識到物理現(xiàn)象并總結(jié)物理規(guī)律至關(guān)重要，而DIS實驗恰好可以幫助學(xué)生直觀地觀察到物理現(xiàn)象.本文將通過下面兩個案例具體介紹分析DIS實驗在中學(xué)物理中的部分應(yīng)用.

1.1 探究作用力與反作用力的關(guān)系

經(jīng)典力學(xué)以牛頓三大定律為核心.而作用力與反作用力的關(guān)系，是牛頓第三定律所總結(jié)的規(guī)律，該定律不僅僅揭示了兩物體相互作用的規(guī)律，也為研究并解決各種復(fù)雜問題提供了理論基礎(chǔ)，拓展了牛頓第二定律的適用范圍，讓復(fù)雜的動力學(xué)問題得以簡單化.因此在中學(xué)物理中掌握牛頓第三定律具有重要意義［1］.

圖1人教版必修1中探究作用力與反作用力關(guān)系實驗圖Fig.1 The experimental diagram of the relationship between the force and the reaction force in the compulsory 1 of the People’s Education Edition

傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，牛頓第三定律的探究離不開必需的實驗工具彈簧測力計，如圖1所示，將兩測力計掛鉤對接，分組將彈簧測力計固定一個和都不固定進(jìn)行實驗.讓同學(xué)們猜想：（1）將其中一個彈簧測力計固定，測力計對拉時，兩測力計的示數(shù)有什么關(guān)系？（2）兩測力計不固定對拉，觀察勻速運動和變速運動時示數(shù)有什么關(guān)系？學(xué)生帶著上述問題以小組為單位進(jìn)行實驗探究，得出A、B兩測力計示數(shù)在4種情況下都相同，并在此基礎(chǔ)上得出實驗結(jié)論，完成表1.

表1實驗數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental data diagram

在實驗中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，由于各種人為原因（如手的抖動、讀數(shù)誤差等）給結(jié)果帶來不可避免的實驗誤差，特別是當(dāng)彈簧測力計運動起來時，讀數(shù)比較困難，誤差也較大，這樣使得實驗效果受到影響，學(xué)生對實驗的可信度下降.

倘若借助如圖2所示的力傳感，數(shù)據(jù)采集，分析裝置設(shè)備，學(xué)生們可以通過設(shè)備顯示器直接讀出數(shù)值大小，數(shù)據(jù)通過采集器，傳輸至電腦端的數(shù)字化實驗軟件中，可生成兩傳感器的直觀的數(shù)值圖像，如圖3所示，圖像的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別表示為實驗過程的時間（t）和傳感器上的力（F），正半軸部分圖像為A傳感器圖像，負(fù)半軸圖像為B傳感器圖像.圖像中如a段，圖像向上傾斜表示此時作用在測力計上的拉力在增強(qiáng)（兩傳感器間距離增大）；如b段，圖像為傾斜向下表示作用在測力計上的拉力在減?。▋蓚鞲衅鏖g距離減?。?；如c段，圖像與t軸平行的線段表示此時作用在測力計上的拉力為恒力（兩傳感器靜止）；如d段，為兩傳感器勻速運動圖像；如e段，為兩傳感器變速運動圖像.

圖2 DIS實驗裝置實物圖Fig.2 Physical diagram of DIS experimental device

圖3實驗數(shù)據(jù)圖像Fig.3 Image of experimental data

根據(jù)以上由力傳感器得到的圖像學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)：兩測力計的受力圖像為對稱圖形，其中A傳感器與B傳感器的受力圖像，無論固定哪個傳感器或兩傳感器均靜止、勻速、變速運動，傳感器數(shù)值大小實時相同（如a=a′，b=b′等）.在此基礎(chǔ)上得出結(jié)論：作用力與反作用力在相同作用時刻大小始終相等、方向相反，并且在作用時間內(nèi)同步變化.繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生觀察總結(jié)，從而引出牛頓第三定律的內(nèi)容，完成實驗輔助教學(xué).

1.2 氣體的等溫變化

氣體的等溫變化是新課標(biāo)普通高中物理教材選修3-3第八章第一節(jié)的內(nèi)容，氣體的等溫變化是第八章“氣體”內(nèi)容的重點知識，由等溫變化曲線可以準(zhǔn)確地得出玻意耳定律：恒溫情況下，質(zhì)量一定的某種氣體，壓強(qiáng)P與體積V成反比.該定律的學(xué)習(xí)為后面查理定律和蓋呂薩克定律的掌握作鋪墊，是物理學(xué)熱學(xué)板塊的重要內(nèi)容［2-4］.

圖4人教版選修3-3中的探究氣體等溫變化的規(guī)律Fig.4 Exploring the law of gas isothermal changes in Elective 3-3 of the People’s Education Edition

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，常采用如圖4中（A）圖的實驗裝置進(jìn)行實驗，實驗裝置由壓力表與注射器組成，注射器中的空氣柱是研究對象，試驗過程中它的質(zhì)量不會變化；從儀表可以得到氣體壓強(qiáng)大小P，注射器外側(cè)刻度可以獲得氣柱長度L，注射器的截面S與L的乘積就是實驗中不同壓力下的氣體體積V.

改變活塞位置，獲取體積和壓強(qiáng)的幾組數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算、處理作圖，在坐標(biāo)圖上描繪出P與的關(guān)系圖像.可以得出如圖4中（B）圖像：一條過原點的傾斜直線，即說明P與成正比，得出玻意耳定律.

在DIS實驗中，依然可以利用注射器，但將上述壓力表改為壓強(qiáng)傳感器與數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)結(jié)合進(jìn)行實驗，實驗器材與連接如圖5所示，注射器的端口與壓強(qiáng)傳感器的輸入端緊密連接，再將壓強(qiáng)傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連接，數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相連接.

圖5氣體等溫變化規(guī)律的DIS實驗探究裝置Fig.5 DIS experimental exploration device of gas isothermal change law

完成上述連接后，學(xué)生小組合作進(jìn)行實驗，研究對象同樣為注射器內(nèi)的氣體.由注射器上的刻度讀出氣體的體積V，手動輸入到實驗系統(tǒng)的表格中.氣體的壓強(qiáng)通過與注射器相連接的壓強(qiáng)傳感器測得，測得的壓強(qiáng)P在系統(tǒng)中實時顯示，用鼠標(biāo)單擊記錄按鈕，由計算機(jī)自動記錄，這樣可以獲得不同體積時氣體壓強(qiáng)的數(shù)值.最終得到表2中所示P與V的數(shù)據(jù).

表2氣體等溫變化實驗數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data table of gas isothermal change

在軟件的操作界面點擊“計算”，得到體積的倒數(shù)與壓強(qiáng)—體積的乘積兩組數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)表2中可以明顯看出各個結(jié)果的體積—壓強(qiáng)的乘積非常接近，接近一個常數(shù).點擊“P-V圖像”，在坐標(biāo)圖中生成數(shù)據(jù)點，經(jīng)過“曲線擬合”獲取擬合圖線；再點擊“圖像”，與上述執(zhí)行相同操作，獲得數(shù)據(jù)點的擬合圖線，如圖6（A）所示，圖像為一次函數(shù)正比曲線.圖像中存在不在直線上的點，是因為活塞中的摩擦，以及讀數(shù)時的估算產(chǎn)生的誤差.圖像證實了兩個物理量的線性關(guān)系.而為了更直觀地看出壓強(qiáng)P與氣體體積V的關(guān)系，通常采用P-V圖像，如圖6（B）所示，圖像描述的是等溫情況下的P-V關(guān)系，因此也稱為氣體等溫過程變化曲線，簡稱等溫線.

引導(dǎo)學(xué)生分析：

（1）直線不過原點是系統(tǒng)或偶然誤差中哪個引起的？

（2）如何減小誤差：實驗時推動活塞要緩慢；手不要去握注射器；活塞涂上潤滑油；體積讀數(shù)時視線要平視刻度.

圖6氣體等溫變化實驗圖像Fig.6 Experimental image of gas isothermal change

教師引導(dǎo)得出結(jié)論：等溫時，質(zhì)量一定的氣體壓強(qiáng)與體積成反比關(guān)系.即玻意耳定律.完成DIS實驗輔助教學(xué).

2 DIS實驗的優(yōu)越性

通過上述兩個案例，并參考許多文獻(xiàn)，總結(jié)出DIS實驗具有如下優(yōu)勢：

（1）實驗過程動態(tài)化

傳統(tǒng)力學(xué)實驗中，一般使用彈簧測力計進(jìn)行力的測量.彈簧測力計價格低、應(yīng)用非常廣泛，但其缺點也顯而易見：僅適于靜態(tài)而不適于動態(tài)測量；能測拉力而不能測量壓力；此外，彈簧測力計本身的精度、讀數(shù)容易形成偏差也限制了其實驗效果［5-7］.而DIS實驗系統(tǒng)可以隨時的對實驗的信息進(jìn)行采集，在對物理動態(tài)進(jìn)行分析的時候有著不言而喻的優(yōu)勢.

（2）實驗結(jié)果的精確性

DIS實驗運用的各類傳感器可實時采集準(zhǔn)確的多種物理量數(shù)據(jù)，既繼承了傳統(tǒng)實驗儀器采集數(shù)據(jù)的能力，又突破了傳統(tǒng)設(shè)備在數(shù)據(jù)處理上的局限，簡言之，DIS實驗?zāi)軠?zhǔn)確獲取的物理實驗數(shù)據(jù)并快速處理，包括計算和作圖，這就使物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或驗證更有嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性.

（3）物理規(guī)律直觀化

對許多不直觀物理現(xiàn)象，規(guī)律往往不易被發(fā)現(xiàn).如使用測力計進(jìn)行最大靜摩擦力實驗，失重演示實驗等，在動態(tài)實驗過程中，往往難以觀測到那些瞬變值.而數(shù)字化實驗設(shè)備能夠隨時獲取所測物理量的大小方向等內(nèi)容，由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓強(qiáng)、圖像等），計算機(jī)或數(shù)字儀表要能夠處理這些物理量信號，必須先將這些物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，繼而將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為直觀的圖表，便于學(xué)生接受理解以及記憶.物理規(guī)律生成的圖表信息可將規(guī)律具體化，幫助學(xué)生理解［8-9］.

（4）實驗具有省時性

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，課堂上師生需要花費大量的時間，來進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理和圖表的制作，容易產(chǎn)生誤差，影響學(xué)生對概念的認(rèn)識.而DIS實驗，只需要通過傳感器，與數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化實驗軟件中進(jìn)行處理分析，節(jié)省了大量的課堂時間.

3 物理實驗教學(xué)中使用DIS的體會

大家都知道凡事都具有雙面性，DIS在物理實驗教學(xué)中的確存在以上明顯的優(yōu)勢，但相對的也存在部分的局限性，如忽視了物理實驗的本質(zhì)，不利于發(fā)展中學(xué)生的動手能力.對此，具體做法如下：

（1）DIS實驗可以借助人機(jī)交互，通過非常簡單的操作，展現(xiàn)實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生們輕而易舉的獲得了實驗的結(jié)果，卻忽略了實驗的操作本質(zhì)，不利于學(xué)生對知識點的把握，并且不利于發(fā)展學(xué)生觀察能力與動手能力.

針對上述問題，筆者的做法是DIS實驗為輔，實際操作為主的演示實驗方式，進(jìn)行物理實驗教學(xué)，在必要的時候如數(shù)據(jù)分析、計算、作圖等方面，借助DIS進(jìn)行快速直觀的展現(xiàn)，充分節(jié)約課堂時間，突出其優(yōu)越性所在，在此過程中，學(xué)生的注意力也將大部分集中在實際的實驗演示上，學(xué)生的主觀能動性得以提高，從而提高對物理實驗的學(xué)習(xí)興趣.

（2）DIS實驗在節(jié)約課堂時間的同時，卻容易被教師誤用.教師容易快速地結(jié)束實驗講授，而加強(qiáng)趣味性不強(qiáng)的理論講授，從而導(dǎo)致學(xué)生對物理課程的不喜愛.

對此，筆者給出的做法是：DIS作為教學(xué)工具，雖然存在很多的優(yōu)勢，但卻需要施教者，加以合理的運用.教師在教學(xué)中要適當(dāng)運用DIS，而不應(yīng)為了體現(xiàn)課堂豐富的現(xiàn)代化設(shè)備，而進(jìn)行不必要的數(shù)字化教學(xué)，應(yīng)精心挑選那些通過數(shù)字化信息系統(tǒng)能夠使教學(xué)效果最佳的內(nèi)容，進(jìn)行精心的設(shè)計，才能發(fā)揮DIS實驗教學(xué)的優(yōu)勢［10］.而盲目過多地使用DIS，反而會影響課堂教學(xué)的效果，產(chǎn)生如上所述的負(fù)面效應(yīng).如在自由落體運動的教學(xué)中，利用紙團(tuán)與紙片引入，通過牛頓管演示真空中的自由落體，非常真實、直觀，現(xiàn)象明顯，學(xué)生在觀察后也能有深刻的印象和理解.

4 結(jié)語

科技的進(jìn)步必然引起社會全方位的變化，在教育教學(xué)方面也是如此.作為新時代的人民教師，更應(yīng)該緊跟時代的腳步，關(guān)注信息技術(shù)與教育技術(shù)、設(shè)備的前沿發(fā)展，掌握教育、教學(xué)技術(shù)前沿信息，進(jìn)一步提升自己的綜合素質(zhì)與能力.為此，本文通過簡單的案例，分析了現(xiàn)代化DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的差異，總結(jié)出DIS在實驗教學(xué)中的優(yōu)越性所在，對其存在的局限性也進(jìn)行了簡要的分析并給出了合理化的建議.隨著數(shù)字化實驗教學(xué)的日益發(fā)展完善與教師能力的不斷提高，DIS實驗教學(xué)在中學(xué)物理教學(xué)中將發(fā)揮出更大的作用，同時也希望本文能夠給眾多物理教師，在使用DIS實驗教學(xué)時，帶來新的體驗.