智能終端設備DIS系統(tǒng)在高中物理實驗教學中的應用

摘 要：通過多次的外出交流真切感受到目前DIS系統(tǒng)，計算機技術與物理實驗教學做到了真正的結合，利用該技術可以實現(xiàn)一般實驗室不能完成的實驗。本文以實際教學為例，對DIS系統(tǒng)的使用做了說明，希望能豐富老師的教學經(jīng)驗，增長學生的見識。

關鍵詞：智能終端DIS系統(tǒng);傳感器;物理實驗;傳統(tǒng);突破;拓展

物理是一門以實驗為基礎的研究物質結構及運動規(guī)律的自然科學。它的基本理論滲透在自然科學的許多領域，應用于生產(chǎn)技術的各個部門，它是一切自然科學和工程技術的基礎。

中學物理實驗，根據(jù)實驗的性質可劃分為驗證性實驗、應用性實驗和探索性實驗?，F(xiàn)階段物理教材中的實驗通常分為學生分組實驗、演示實驗、模擬實驗。第一類，學生分組實驗所使用的器材比較容易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)容易直接測量，在教材中的地位較高，直接訓練學生的動手能力。

雖然近年來計算機在傳統(tǒng)物理實驗教學中起到了很大的作用，但大多數(shù)是模擬作用，而非真正參與實驗。傳統(tǒng)的計算機輔助模擬給教學帶來方便的同時，可能滋生了部分教師的惰性，一些可以進行課堂演示的實驗變成了電腦中的動畫模擬，違背了物理是一門以實驗為基礎學科的精神，對學生造成了一些負面的影響。如何做到真正將電腦應用到物理實驗教學中去呢？如今電子技術已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，我們生活中到處都能感受到電子產(chǎn)品給我們帶來的便利，我們的物理實驗教學也同樣可以應用它來加強效果，因此很多學校配備了數(shù)字化實驗室，也就是智能終端設備DIS（Digital Information System）。

“DIS”是英文“Digital Information System”的縮寫。在物理學中有很多物理量，如距離、位移、力、速度、溫度、壓強、電壓、電流、磁場、光強等，都可以用DIS進行測量。DIS基本結構：傳感器，數(shù)據(jù)采集器，計算機。傳感器：可以測量力，位移，溫度，光，電壓，電流等各種物理量，并將物理量轉化成相應的電信號。數(shù)據(jù)采集器：將傳感器采集到的各種電信號進行處理后輸入計算機。計算機：將數(shù)據(jù)采集器輸入的信號（實驗數(shù)據(jù)），通過主機或者計算機應用軟件進行分析處理，并以多種表現(xiàn)形式實時顯示在計算機的屏幕上。

DIS系統(tǒng)的出現(xiàn)，讓計算機真正地參與到物理實驗中去。本文主要講述DIS系統(tǒng)對傳統(tǒng)物理實驗的輔助應用，如何解決之前無法用傳統(tǒng)實驗解決的一些實驗問題。一些發(fā)達城市比如上海等地中學物理課程標準明確提出：物理課程必須與信息技術整合，構筑信息技術平臺，建立數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室，這樣才能使物理課程符合時代的要求。DIS是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、實驗教學軟件構成的新型實驗系統(tǒng)，它通過多種專用傳感器完成相關物理量的采集，并應用數(shù)據(jù)采集器進行處理，然后上傳到計算機，由實驗教學軟件進行實時處理分析，為學生深刻認識和理解物理實驗現(xiàn)象與規(guī)律提供了現(xiàn)代化的技術平臺，極大地改變著物理教學的現(xiàn)狀。

開課的老師提出霍爾效應的現(xiàn)象以及歷史背景，黑板上構建了基本情景，針對霍爾效應做了非常規(guī)范細致的分析，到這里為止復習的模式方法非常常規(guī)，但是我們都心知肚明，只有掌握好了基礎理論才有進一步的創(chuàng)新提升，才能將相似的題目，相似的模型串聯(lián)起來。用磁場探測器測量了條形磁鐵不同位置，不同距離的磁場強度，而且通過DIS系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以圖像的形式展現(xiàn)給學生，非常的直觀形象，但是站在學生的立場，這個探測系統(tǒng)似乎不能夠讓他感到信服，畢竟還不知道探測系統(tǒng)的工作方式，工作原理?？梢越铏C提出為什么該設備能夠測量磁感應強度，這就跟今天的課程大有關系，讓學生覺得學有所用，讓學生猜測該磁場探測的核心部件原理。

DIS系統(tǒng)中的磁場探測器核心部分就是霍爾元件，隨著分析的推進同時提出該元件的組成部分，如何對該元件供電？接下來的學生的回答讓我們覺得這節(jié)課對學生的引導上收效巨大，學生通過老師的實驗演示，通過與之前的試卷習題相關聯(lián)，以及霍爾元件的原理分析，他們真的可以將帶電粒子在磁場電場中的運動問題有機地結合起來，達到了很好的復習效果，做到了事半功倍，舉一反三的效果。

傳統(tǒng)的小燈泡伏安特性曲線的實驗方案也可以改造成使用DIS系統(tǒng)。將電源，開關，小燈泡和電流傳感器串聯(lián)起來，當閉合開關后從電腦顯示電流開始短時間較大而后穩(wěn)定，這是為什么？用普通的電壓電流表不好體現(xiàn)，因為普通的電表的指針不大穩(wěn)定容易受到外界因素干擾，而用DIS系統(tǒng)能非常直觀地展示電壓電流隨時間的變化，而且這個現(xiàn)象完全可以以試題的方式出現(xiàn)，考核溫度對電阻的影響。

當然對于弊端方面，筆者個人覺得用DIS系統(tǒng)固然獲取數(shù)據(jù)快，分析快，但是它跳過了實驗的原理，所以在某種程度上跟傳統(tǒng)的實驗對比削弱了學生的實驗分析能力，對于傳統(tǒng)實驗很難測量的物理量，DIS系統(tǒng)有著非常大的優(yōu)勢。

數(shù)字信息化系統(tǒng)實驗在高中物理教學中的應用逐日增多，地位也提升，很多老師都采用傳統(tǒng)實驗與DIS系統(tǒng)結合的形式展現(xiàn)了一節(jié)節(jié)公開課，給我們留下了深刻的印象，作為一名中學物理教師不能只把眼光停留在課本上，我們應該多多學習交流，把握層出不窮的最新的科技前沿，開發(fā)更多的探究性實驗，在教學上應該以學生為主體，我們要多加以引導啟發(fā)，提升他們的物理興趣，提供給他們良好的學習創(chuàng)新開發(fā)的環(huán)境。

為了提高學生的自我探究能力，創(chuàng)新能力，我校建設了物理探究實驗室，配備了DIS系統(tǒng)，給學生提供了更多自主研究的空間。老師在讓學生熟悉傳統(tǒng)的實驗基礎上，帶領學生進行DIS實驗的應用與開發(fā)，讓學生適當?shù)亟佑|電子技術，了解工業(yè)生產(chǎn)中所用到的一些方法以及技術手段，相信通過這些探究實驗能充分調動學生學習物理的積極性，進一步端正做科學實驗的態(tài)度。

比如以前在簡諧運動以及單擺部分的教學中，我們是利用水平氣墊導軌上演示彈簧振子，我們大多數(shù)是用眼睛觀察感受振子在運動中的粗略的位移和速度變化，做一些簡單的定性分析判斷，更別說能很好地得到回復力，位移，速度隨時間的變化圖像，總讓人感覺到意猶未盡。在單擺實驗中我們教材上提供了一個傳統(tǒng)做法，利用沙漏的擺動記錄簡諧運動的圖像，利用頻閃照相的方法研究運動，這些方法雖然思想上還是很不錯的，但是在教學中的操作性都不強，效果不大理想?，F(xiàn)在這種狀況可以得到很好地改善了，我們可以利用力，位移和速度傳感器采集數(shù)據(jù)進行定量的分析，如圖1通過安置力和位移傳感器對彈簧的簡諧運動進行了快而準的分析，采集到的數(shù)據(jù)直接通過軟件以 F-t，S-t和V-t的形式呈現(xiàn)在學生面前，而且讓他們感到驚訝的是隨著時間的進行，圖像是有節(jié)奏實時繪制的，效果非同凡響。當然我們還可以在學生掌握基礎操作情況下對學生進行適當?shù)囊龑?，為什么圖像幅度隨著時間的推移會逐漸發(fā)生變化，如何設計改造實驗研究單擺的運動，如果增大砝碼質量，改變彈簧等因素，圖像會如何變化呢？利用課余時間我?guī)ьI學生進入探究實驗室，給他們培訓了探究設備的使用方法，計算機軟件的操作等等，實驗過程讓我高興的是，整節(jié)課學生斗志昂揚，表現(xiàn)出極高的興趣，同學之間互相配合協(xié)作交流探討，對實驗做了很多的變化改造，這不就是新課程下老師最喜歡看到的一面嗎？

前不久，筆者帶領學生利用了DIS系統(tǒng)對二極管做了一定的探究，對二極管的伏安特性做了較為深入的測試，并開展了一節(jié)信息技術與課程整合公開課《初探二極管》。伏安特性曲線圖常用縱坐標表示電流I、橫坐標表示電壓U，以此畫出的I-U圖像叫做導體的伏安特性曲線圖。這種圖像常被用來研究導體電阻的變化規(guī)律，是物理學常用的圖像法之一。如圖2我們對傳統(tǒng)的電路進行改造，可以非常方便迅速地調節(jié)二極管兩端電壓，并獲得實時的電壓和電流數(shù)據(jù)，對于得到的大量數(shù)據(jù)不便于人工處理分析，可以通過DIS對應的軟件將數(shù)據(jù)和excel進行對接，利用excel我們很容易擬合出二極管的正向伏安特性，個別同學利用課余時間還分析了二極管的反向的伏安特性。通過這次與DIS結合的基礎實驗，同學們對實驗本身原理有了更加深入地了解，同時還掌握了DIS系統(tǒng)的使用方法，以及簡單地使用計算機軟件處理數(shù)據(jù)，大大提升了他們對物理的熱情和興趣。

作者簡介：

林真，福建省福州市，閩侯縣第一中學。