高中物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS系統(tǒng)有效整合
——以測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻為例

朱劍敏

（福州格致中學(xué)，福建福州 350001）

隨著高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷改革，新課程標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)課程內(nèi)容與生活中物理以及現(xiàn)代社會(huì)和科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用所帶來(lái)的各種問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、善于實(shí)驗(yàn)，倡導(dǎo)教師通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決問(wèn)題的能力。［1］而DIS是一種新型的實(shí)驗(yàn)手段，它正慢慢走進(jìn)高中物理課堂，不僅提高了物理教學(xué)課堂的實(shí)效性，還對(duì)學(xué)生探究能力的提升和物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起著重要的作用。

一、DIS技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)劣對(duì)比

在中學(xué)物理的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)儀器的精度不高，實(shí)驗(yàn)工具選取不當(dāng)或者是人為操作失誤等，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些偶然誤差，以至于必須反復(fù)的操作，影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，有時(shí)也無(wú)法得到理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)的成功率較低。

DIS指的是“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。［2］DIS實(shí)驗(yàn)通常指在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用傳感器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用電腦記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。［3］該系統(tǒng)代替了學(xué)生的手工記錄、采集和處理數(shù)據(jù)的過(guò)程，大量地減少了人為因素導(dǎo)致的誤差，使得學(xué)生能在一節(jié)課的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，并且讓學(xué)生能結(jié)合物理的一些知識(shí)自主地去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的積極性。

DIS系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)器材精密，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄實(shí)時(shí)高效，應(yīng)用范圍廣，可靠度高，還可以繪制出各種函數(shù)圖像，縮短了學(xué)生分析數(shù)據(jù)的時(shí)間，可以直接從圖像中分析物理規(guī)律，完成了教育教學(xué)目標(biāo)。比如，在學(xué)生探究牛頓第二定律時(shí)，數(shù)據(jù)收集和處理就很復(fù)雜，誤差也較大，而通過(guò)DIS效率明顯提高，可以節(jié)省更多的精力去進(jìn)行誤差的分析與研究，接著我們通過(guò)DIS系統(tǒng)作出的圖像，發(fā)現(xiàn)圖線彎曲而偏離正比例直線的現(xiàn)象，從而引導(dǎo)學(xué)生去進(jìn)行誤差分析。接著教師可以立足于學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)能力來(lái)設(shè)計(jì)問(wèn)題，并留給學(xué)生充足的時(shí)間利用DIS去完善、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，例如以小車(chē)和鉤碼的總質(zhì)量不變，把系統(tǒng)作為研究對(duì)象，以作為橫軸，這樣圖像便化曲為直，使其直觀地反映出兩個(gè)變量之間的關(guān)系。在這種教學(xué)方式的指導(dǎo)下，學(xué)生的各項(xiàng)技能和能力將會(huì)得到最大程度的發(fā)展和提高，有效促進(jìn)高中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升，真正實(shí)現(xiàn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育功能。

任何一樣事物都利弊，在其優(yōu)點(diǎn)背后同樣存在著缺點(diǎn)，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特別是在電學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的運(yùn)用，缺少了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本技能的過(guò)程和機(jī)會(huì)，弱化了學(xué)生動(dòng)手連接實(shí)物電路的能力和對(duì)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算能力培養(yǎng)，忽視了對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)技能的培養(yǎng)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，則可以運(yùn)用實(shí)驗(yàn)器材讓學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)步驟，強(qiáng)化了學(xué)生的動(dòng)手能力，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀地展示給學(xué)生，加深記憶，并且讓學(xué)生通過(guò)小組探究進(jìn)行創(chuàng)新，從而拓展了學(xué)生思維，分析了實(shí)驗(yàn)中的誤差及不足，并加以改進(jìn)和完善，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

因此，總結(jié)DIS系統(tǒng)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)劣之后，教師要在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中引入DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，二者有效地融合在一起，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從而提高實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性，并將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值發(fā)揮到極致。

二、巧用DIS實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)誤差并加以改進(jìn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)——以測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻為例

很多物理實(shí)驗(yàn)其實(shí)都存在誤差，但誤差并不可怕。高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多是定量實(shí)驗(yàn)，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，除了要讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證或推導(dǎo)出物理規(guī)律，還要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)正確分析實(shí)驗(yàn)誤差的來(lái)源、如何減小實(shí)驗(yàn)誤驗(yàn)誤差、如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，讓他們能親身體驗(yàn)，敢于挑戰(zhàn)，激發(fā)他們的潛能。

現(xiàn)以電學(xué)實(shí)驗(yàn)——測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻為例，由于傳統(tǒng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)精度不夠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比預(yù)期相差甚遠(yuǎn)，而教師在教學(xué)過(guò)程中基本是利用理論教學(xué)方式來(lái)解決問(wèn)題，這樣便無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，有以下傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材：電壓表、電流表、滑動(dòng)變阻器、電源、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線等，然后學(xué)生組成兩種電路——電流表外接法（甲）和電流表內(nèi)接法（乙）（如圖1），接著有兩種分析數(shù)據(jù)的方法，一是利用平均值法來(lái)減少實(shí)驗(yàn)誤差，就得多測(cè)幾次算平均值；二是利用測(cè)出的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)在坐標(biāo)紙上并作圖，通過(guò)畫(huà)出的函數(shù)圖像得到電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，而這兩種分析方法則大大延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，作圖也存在著很大的偶然誤差，再加上該實(shí)驗(yàn)儀器的本身限制，使得該實(shí)驗(yàn)就一定存在系統(tǒng)誤差，所以綜合下來(lái)數(shù)據(jù)就跟預(yù)期偏差較大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，教師可以引入DIS實(shí)驗(yàn)，由于DIS能實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)并高效地分析數(shù)據(jù)，大大縮短了計(jì)算時(shí)間，而且電流傳感器和電壓傳感器精度較高，用它們來(lái)代替電流表和電壓表（如圖2），把電流傳感器、電壓傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器端口連接計(jì)算機(jī)以記錄數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，接著學(xué)生通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)原理，推導(dǎo)出x軸和y軸所對(duì)應(yīng)的物理量，進(jìn)行一次函數(shù)擬合，得到函數(shù)擬合圖像（如圖3），分析一次函數(shù)圖像中斜率和截距的意義，繼而得到我們所需要的電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的值。

圖1

由于DIS傳感器精度高，兩組實(shí)驗(yàn)方法數(shù)據(jù)基本接近。但在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器中，電流表和電壓表并不是理想電表，所以該實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差，而本節(jié)課的目的除了要求學(xué)生通過(guò)電路設(shè)計(jì)測(cè)出電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，最關(guān)鍵的一環(huán)是要求學(xué)生學(xué)會(huì)利用函數(shù)圖像對(duì)兩種不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分析——圖像修正法（如甲-圖4、乙-圖5），所以學(xué)生要回歸到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路中，借助DIS圖像分析實(shí)驗(yàn)誤差，最終得到兩種實(shí)驗(yàn)不同的誤差，圖甲電流表外接方法，通過(guò)圖像修正可以快速、直觀地得到E測(cè)=E真，r測(cè)＞r真；圖乙電流表內(nèi)接方法，則得到E測(cè)＜E真，r測(cè)＜r真。通過(guò)利用DIS結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)工作者相似的探究過(guò)程，從而領(lǐng)悟科學(xué)探究方法，發(fā)展科學(xué)探究能力，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣，養(yǎng)成勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

圖2

圖3

圖4

圖5

把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器和DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)有效地整合起來(lái)，不僅為學(xué)生后面的數(shù)據(jù)分析和誤差分析提供了充足的時(shí)間，一節(jié)課高效地完成了實(shí)驗(yàn)，而且鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)分析能力，并為后面學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供有效的保障，從而提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

本節(jié)課教師還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展，讓學(xué)生分組討論，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)其他測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路，比如說(shuō)若只用到一個(gè)電壓表或者一個(gè)電流表，能否測(cè)出電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻？如何選擇儀器去設(shè)計(jì)電路？在這個(gè)過(guò)程中因?yàn)镈IS系統(tǒng)所配備的只是一塊簡(jiǎn)單的電路板，無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，所以要借助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行研究，結(jié)合DIS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。整節(jié)課給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了新的物理情境，讓學(xué)生各項(xiàng)科學(xué)技能和思維能力得到最大程度的發(fā)展，有效促進(jìn)高中學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的提升，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育教學(xué)功能。

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲取知識(shí)最直接的方法、最真實(shí)地感受，由于它是學(xué)生親自動(dòng)手來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)規(guī)律，印象深刻，激發(fā)濃厚的實(shí)驗(yàn)興趣，是培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能重要渠道。而DIS系統(tǒng)的直觀、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)正是彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，它也有助于精準(zhǔn)、快速地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。所以在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)將二者進(jìn)行優(yōu)化整合，從而提升高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效益。當(dāng)然，有些實(shí)驗(yàn)適合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)適合于DIS系統(tǒng)，而有些實(shí)驗(yàn)則適合二者的結(jié)合，并且從中選擇最有益的實(shí)驗(yàn)方法，只有這樣才能發(fā)揮高中物理實(shí)驗(yàn)的最佳效果。

DIS系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合是目前高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趨勢(shì)，教師引導(dǎo)學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)，通過(guò)自身知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新研究，并將物理知識(shí)靈活地運(yùn)用于生活之中，進(jìn)一步提升學(xué)生核心素養(yǎng)。在今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師要擺正態(tài)度，合理地使用和融入DIS系統(tǒng)，充分發(fā)揮其最大的價(jià)值。