利用DIS實驗打造高效課堂

黃連鳳 施生晶

摘? ?要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展， DIS 實驗進入高中物理實驗課堂將是一種趨勢，在具體的教學實踐中，充分發(fā)揮DIS實驗教學在物理教學中的作用，需要教師精心設(shè)計每個實驗教學環(huán)節(jié)，利用實驗來打造物理高效課堂。

關(guān)鍵詞：物理實驗;DIS實驗;高效課堂

科學技術(shù)快速發(fā)展，物理實驗的展示形式越來越多樣化，DIS 實驗運用了現(xiàn)代化信息技術(shù)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計算機”構(gòu)成的新型“數(shù)字化信息系統(tǒng)”[ 1 ]。為了打造高效的高中物理實驗課堂，筆者將DIS實驗與傳統(tǒng)實驗進行結(jié)合，充分調(diào)動學生學習的積極性，打造高效課堂。

1? 打造高效課堂的重要性

構(gòu)建高中物理高效課堂，是新課程改革與素質(zhì)教育發(fā)展下不可阻擋的“新潮流”和新趨勢，是每一位物理教師在教學中的核心任務(wù)與重要目標。物理是一門基于實驗和觀察的自然科學。教師要在四十分鐘左右時間內(nèi)，不僅要將課堂內(nèi)容、理論知識講解透徹，還要向?qū)W生展示實驗，甚至還要學生動手操作，直觀、準確得到實驗結(jié)論，這就要求教師在課前精心準備，準確挑選最適合的實驗儀器和展示方式，來達到課堂效率最大化。因此，高中物理教師要更新觀念，并且直面困難，學會從物理學科的基本特性和現(xiàn)實學情出發(fā)，努力尋求突破，運用各種動態(tài)情境，引導學生積極思考，鼓勵學生合作學習與開展實驗教學，利用現(xiàn)代化、數(shù)字化教學儀器等教學方法和策略，優(yōu)化物理課堂教學過程，努力提高學生學習的效率，推進高中物理高效課堂的建構(gòu)與實施，促進學生的全面發(fā)展。

2? 傳統(tǒng)教學實驗在探究性實驗中的局限性

在信息技術(shù)不夠發(fā)達以及學校經(jīng)濟條件不充裕時期，高中物理教學中一直以傳統(tǒng)實驗教學為主。傳統(tǒng)的實驗教學往往講解方便，操作簡單、手段單一，但是受外界因素以及學生操作能力影響比較大，實驗的數(shù)據(jù)處理顯得特別繁瑣，常耗費大量的人力物力和時間，實驗結(jié)論卻不太理想。

例：在“探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，傳統(tǒng)教學中在塑料桶內(nèi)加沙子使小車加速下滑，在小車尾部安裝紙帶，通過計時器記錄小車運動情況（如圖1）。具體實驗步驟如下：（1）測出小車的質(zhì)量和桶的質(zhì)量;（2）如圖1安裝器材;（3）平衡摩擦力;（4）保持小車及車內(nèi)砝碼的質(zhì)量不變，改變沙子的質(zhì)量，每改變一次質(zhì)量打出一條紙帶;（5）算出每條紙帶對應(yīng)的加速度;（6）保持沙和桶的質(zhì)量不變，在小車上增減砝碼，每加一次砝碼打出一條紙帶，算出每條紙帶對應(yīng)的加速度。利用紙帶記錄的信息（如圖2），用逐差法求加速度，即 a=。

實驗探究前需平衡摩擦力，要觀察紙帶上相鄰的點是否均勻分布，或者測量每兩點間距是否相同，判斷摩擦力與重力沿斜面的分量是否平衡;未達到平衡時，要反復(fù)移動墊塊位置，操作多次才可能達到平衡;實際情況測量操作誤差較大，難以達到絕對平衡。實驗完成后要進行數(shù)據(jù)處理，每條紙帶用逐差法求解加速度一次，假設(shè)一種情況做四組數(shù)據(jù)，探究兩個實驗，則需要求八個加速度的值;求加速度前還應(yīng)先用直尺測出每段間距。實驗過程中測量的工作量很大，實驗數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、計算量大，耗時長，教師進行授課時，以致于一堂完整的實驗探究課，不得不將實驗過程和實驗結(jié)論分析分成兩節(jié)課來完成，使得教學無法連貫，教學效果不佳，而且由于操作過程中摩擦力的存在和數(shù)據(jù)測量誤差大，作出的a-以及a-F圖象不太理想，得出的結(jié)論說服力不高。

3? DIS實驗教學的高效性

3.1? DIS實驗器材簡介（見表1）

3.2? 教學中融入DIS實驗，打造高效課堂

因傳統(tǒng)實驗存在的不足，為了提高課堂效率，教學中融入DIS實驗，利用自動化數(shù)據(jù)處理的傳感器和數(shù)據(jù)采集器;利用計算機智能化數(shù)據(jù)處理，代替學生的手工記錄、采集和分析物理實驗數(shù)據(jù)的過程，減少人為因素導致的實驗誤差和錯誤[ 2 ]。

例：在“探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，將傳統(tǒng)的計時器改為圖3中的G1、G2兩個光電門，將學生手動記錄數(shù)據(jù)的表格改為計算機桌面上的“Lab studio”軟件。

打開 Lab studio軟件，將數(shù)據(jù)采集器與光電門、計算機連接好。（1）DIS實驗用數(shù)據(jù)采集器自動采集時間信息：I型擋光片通過兩個光電門（圖3中G1、G2）所用時間（分別為圖4、圖5中的閘時間欄和閘時間1欄）;以及擋光片通過兩個光電門之間距離所用時間（圖4、圖5中的時間欄），時間數(shù)據(jù)自動記錄在表格中。（2）平衡摩擦力的判斷。傳統(tǒng)實驗要反復(fù)比較打印出來的紙帶，判斷紙帶上的點是否分布均勻，DIS實驗只要比較閘時間和閘時間1是否近似相等;表格中時間數(shù)據(jù)直觀，學生平衡摩擦力的過程變得快速而且誤差很小。（3）設(shè)定加速度與力的關(guān)系表格、加速度與質(zhì)量的關(guān)系表格，分別探究a-F的關(guān)系和a-M的關(guān)系。在傳統(tǒng)實驗中分別通過改變外力（往拉小車的小桶中逐一添加沙子）和小車質(zhì)量（在小車上逐一添加砝碼），多次讓小車拉著紙帶前進，用打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況，每實驗一次得到一條紙帶，再將每一條紙帶上的點作數(shù)據(jù)處理，分析得出a-F的關(guān)系和a-M的關(guān)系。在DIS實驗中，在改變拉力和小車質(zhì)量的實驗過程中，將不再使用打點計時器，小車后方也就不再需要拉著紙帶前進，大大減小了小車前進的摩擦力，也不再存在卡紙，紙帶裝歪，或紙帶上的點太少等影響實驗的系列問題;實驗數(shù)據(jù)也不再需要人工數(shù)據(jù)處理，而是數(shù)據(jù)采集器和計算機自動化處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將直接顯示在相應(yīng)的表格中：加速度與力的數(shù)據(jù)（如圖4）、加速度與質(zhì)量的數(shù)據(jù)（如圖5）。

Lab studio軟件如何自動處理數(shù)據(jù)，得到小車的加速度呢？（1）因I型擋光片寬度很小，通過光電門（圖3中G1、G2）的平均速度近似等于它在光電門處的瞬時速度，得到圖4、圖5中的速度1和速度2對應(yīng)的數(shù)據(jù)，求出小車通過2個光電門時的瞬時速度。（2）小車從光電門G1到光電門G2做勻加速直線運動，所以有：加速度=，速度1=，速度2= （d為I型擋光片的寬度）。

DIS實驗不但可以自動化收集和處理數(shù)據(jù)，還可以將實驗得出的數(shù)據(jù)自動化處理得出各物理量之間的圖象關(guān)系。例：在“探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，圖4中設(shè)置a-F的關(guān)系，以及圖5中設(shè)置a-M關(guān)系，實驗操作過程中通過圖象顯示物理量的關(guān)系，實現(xiàn)實時反饋，整個實驗過程清晰明了，數(shù)據(jù)準確，現(xiàn)象直觀。實驗數(shù)據(jù)處理后的圖象如圖6和圖7（左）;由于加速度與M的關(guān)系圖象顯示為曲線，不易得出結(jié)論，因此需要學生繼續(xù)探究，思考如何轉(zhuǎn)換為最直觀簡單的關(guān)系圖線，教師引導學生設(shè)置加速度和的關(guān)系圖，得到圖7（右）。

學生通過分析圖象（圖6和圖7）可以得出實驗結(jié)論：小車質(zhì)量一定時，加速度與力成正比;合外力一定時，小車加速度與質(zhì)量成反比。

4? 傳統(tǒng)實驗和DIS實驗比較（見表2）

DIS實驗減少了大量數(shù)據(jù)的反復(fù)計算和處理過程，傳統(tǒng)實驗在一節(jié)課時間無法完成的工作量，在DIS實驗中不但能夠完成，而且效果好，提高了課堂效率;DIS實驗實驗器材能更好的提高學生學習和動手操作的興趣，讓學生積極參與探究實驗過程[ 3 ]。讓學生通過Lab studio軟件設(shè)置表格和圖象的過程，進一步了解實驗原理，真正達到讓學生自主討論、自主探究，有效培養(yǎng)學生合作學習，不斷探索，堅持不懈的科學精神和創(chuàng)造能力;在提高學生動手能力的同時，讓學生分析圖象及時總結(jié)，也提高了學生綜合分析能力和語言表達能力。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，DIS實驗逐步進入高中物理課堂已是必然趨勢。

在物理教學中，新時代的教師應(yīng)融合DIS實驗，改進實驗，進行創(chuàng)新，讓實驗更有趣，現(xiàn)象更明顯，努力引導和鼓勵學生合作學習，讓學生學會DIS實驗設(shè)計并制作創(chuàng)新實驗，為學生終身發(fā)展打下基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]余雪妹.高中物理DIS實驗與傳統(tǒng)實驗整合初探[J].物理教學探討，2011（9）：29-32.

[2]李海濤.巧用多媒體提升小學數(shù)學幾何圖形教學質(zhì)量的問題研究[J].課程教育研究，2018（33）：122-123.

[3]施生晶.自制教具 促進教學[J].物理通報，2019（8）.105-107.