合理利用DIS實驗提高物理課堂教學的時效性

陳全海 萬桂新 丁鵬飛

教學論專家余文森教授提出，課堂教學的時效性是指通過課堂教學活動，使學生在學業(yè)上有收獲、有提高、有進步。具體表現(xiàn)在：學生在認知上，從不懂到懂，從少知到多知，從不會到會;在情感上，從不喜歡到喜歡，從不熱愛到熱愛，從不感興趣到感興趣。如何在較短時間內使學生既學到應該掌握的知識，又能從更深層次上得到啟迪呢？計算機技術與物理教學的融合是一個重要途徑。在此將討論如何合理利用DIS實驗提高物理課堂教學的時效性，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

一、DIS實驗在物理教學中的作用

實驗和物理思維是科學研究中最重要的觀念和思想方法，二者缺一不可。物理實驗既是物理知識教學的基礎，又是實施素質教育的一種主要渠道和有效手段?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版）》中明確指出，高中物理課程應在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展;使學生具有科學探究意識，能在觀察和實驗中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜想與假設;具有設計探究方案和獲取證據的能力，能正確實施探究方案，使用不同方法和手段分析、處理信息，描述并解釋探究結果和變化趨勢;具有交流的意愿與能力，能準確表述、評估和反思探究過程與結果。新課標的實施以及新教材的改革，充分體現(xiàn)了教學的多樣性與選擇性，也對物理教學提出了新的要求。以傳感器和軟件技術為核心的DISLab正是在這種背景下發(fā)展起來的，它是數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（Digital Information System laboratory）的英文縮寫，是一種有別于傳統(tǒng)的，將數(shù)據的采集、顯示、分析和處理融于一體的新型綜合實驗系統(tǒng)，其應用從根本上克服了傳統(tǒng)實驗的諸多弊端，有力地支持了信息技術與物理教學的深度融合。

二、發(fā)揮DIS實驗的優(yōu)勢提高課堂教學效率

1.完成傳統(tǒng)方法無法完成的實驗

在傳統(tǒng)物理實驗中，有些實驗因其復雜性或被測物理量極其微弱而難以在課堂上完成。如動能定理的驗證需要測瞬時速度，而瞬時速度是平均速度的極限值，在傳統(tǒng)實驗中常用打點計時器測量，但存在兩個問題：一是精確度不夠高，二是只適用于直線運動，無法完成對曲線運動的測定，使實驗結果缺乏足夠的說服力。而利用DIS實驗就可以很好地解決這些問題。以動能定理驗證實驗為例，DIS實驗和傳統(tǒng)實驗相比具有以下優(yōu)勢：一是傳統(tǒng)實驗的誤差較大（超過5%），而DIS實驗的誤差更?。ㄐ∮?%）;二是傳統(tǒng)實驗耗時費力，而DIS實驗操作簡單，用電腦代替人工計算，可節(jié)省時間;三是傳統(tǒng)實驗只適合于直線運動，而DIS實驗還適合于曲線運動。

實踐證明，在驗證動能定理和機械能守恒定律的實驗中，采用DIS實驗可以大大提高課堂教學效率。在演示感應電流的實驗中，傳統(tǒng)實驗的主要儀器是安培表和匝數(shù)較大的線圈，無法顯示單匝線圈或單根導線產生的微弱感應電流;而DIS實驗中的電流表可以很好地顯示微弱電流。由于實驗操作非常簡便，實驗現(xiàn)象非常明顯，既能豐富課堂內容，也能激發(fā)學生的興趣，大大提高了課堂教學效率。

2.將DIS實驗與傳統(tǒng)實驗合理搭配

提高物理課堂教學的時效性需要教師從實際出發(fā)，辯證地看待DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的優(yōu)點和不足，并將兩者有機地結合起來，以實現(xiàn)最佳教學效果。

（1）混合搭配型

可在同一節(jié)課中同時安排傳統(tǒng)實驗與DIS實驗，使兩種實驗手段互相補充、揚長避短。如在“牛頓第三定律”的教學中，讓學生先用傳統(tǒng)的彈簧秤在水平桌面上對拉，引導他們觀察兩拉力的特點并作出總結，鼓勵學生發(fā)現(xiàn)實驗中的問題，說明原因，提出解決的辦法。接著，給學生展示拉力傳感器，說明其功能，并將實驗結果及時展示給學生。通過對比讓學生體驗兩種實驗手段的效果，體會DIS實驗的優(yōu)越性，同時也對物理定律產生了更深刻的印象。

又如在“摩擦力”一課，傳統(tǒng)實驗通常將靜摩擦力和滑動摩擦力分開講解，教師只能做定性的演示，實驗結果也無法及時呈現(xiàn)給學生。如果采用DIS實驗，就可以很好地將兩種摩擦力結合在一起，并將摩擦力的變化規(guī)律實時展示給學生，收到了良好效果。因此這節(jié)課中，教師將學生分成若干小組，先讓學生用傳統(tǒng)的彈簧測力計在桌面上拉動文具盒等物體，定性、半定量地觀察物體摩擦力的變化規(guī)律;隨后采用DIS實驗，用拉力傳感器取代彈簧測力計，實驗結果能夠動態(tài)地在電腦屏幕上顯示出來，便于直觀看到從靜摩擦力到滑動摩擦力隨著外界拉力的變化規(guī)律，以及滑動摩擦力隨著壓力而變化的規(guī)律，比傳統(tǒng)實驗節(jié)省了更多課堂時間，又能將靜摩擦力和滑動摩擦力的內在聯(lián)系表現(xiàn)得更清楚，提高了課堂效率。演示電磁感應現(xiàn)象的系列實驗大多數(shù)都可以采取這種方式。如楞次定律、互感和自感等演示實驗，可先用傳統(tǒng)儀器演示，讓學生先定性地觀察現(xiàn)象，在此基礎上，再用DIS實驗進一步演示分析，看到更精確的數(shù)據。這樣的好處是可以用普通導線自制螺線管和單匝線圈，讓學生便于觀察電流的流向。

混合型教學方法的優(yōu)點是可以在課堂上通過兩種實驗手段的對比，降低學生對DIS實驗的認知困難，使學生更容易接受或理解實驗結果。

（2）單一型

單一型是指在一節(jié)課中只采用某一種實驗模式。通常是從實際出發(fā)，權衡兩種實驗手段的利弊而作出的選擇。但不管采取哪種方式，必須以有效性為原則，本著實事求是的科學態(tài)度，理性地作出選擇。如在研究“平拋運動”的實驗中，給學生提供一些傳統(tǒng)實驗器材，不管是教師在課堂上演示，還是學生親自操作，由于實驗簡單直觀、便于觀察，因此很容易得出實驗結論。相反，若采用DIS實驗，則需要在電腦屏幕上通過“位移—時間”圖像的分析才能得出結論。由于時空的錯位會導致學生不易理解，因而削弱了做實驗的意義，就談不上提高課堂效率了。

三、結論

正確處理好傳統(tǒng)實驗和DIS實驗的關系是提高物理課堂教學效率的關鍵。雖然DIS實驗具有操作靈活、簡便，能自動、快速、精確且實時動態(tài)采集和顯示實驗信息的功能，但也并非所有實驗都適合用DIS來完成。而且，正是由于DIS實驗的優(yōu)勢，可能會削弱對學生觀察能力、動手能力和計算能力的培養(yǎng)，導致學生忽視實驗本身的物理意義。因此，在教學中要根據具體實驗的特點選擇合適的實驗方案，全面培養(yǎng)學生物理學科素養(yǎng)。

（責任編輯 ? ?郭向和）