以DIS實(shí)驗(yàn)促進(jìn)高中物理教學(xué)的研究

范春陽

【摘? 要】隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，教學(xué)課堂構(gòu)建的優(yōu)化得到進(jìn)一步的重視，將現(xiàn)代技術(shù)與課程教學(xué)結(jié)合成為教師開展教學(xué)的重要方式。物理教師在高中物理教學(xué)中運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)還能讓物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加豐富，有利于提高物理教師教學(xué)的有效性，幫助學(xué)生更好地掌握物理知識(shí)，建立物理認(rèn)知?；诖?，本文以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)為例，以DIS實(shí)驗(yàn)促進(jìn)高中物理教學(xué)的研究展開探討，以期為物理教師提供有效教學(xué)思路。

【關(guān)鍵詞】高中；物理；DIS實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出，物理教師必須要遵循“立德樹人”的教學(xué)理念，以物理核心素養(yǎng)作為培養(yǎng)學(xué)生的教學(xué)導(dǎo)向，對教學(xué)方式進(jìn)行豐富與拓展，以此為學(xué)生提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。因此，物理教師必須要加強(qiáng)課程內(nèi)容、生活知識(shí)與技術(shù)發(fā)展之間的關(guān)聯(lián)性，重視應(yīng)用物理知識(shí)過程中表現(xiàn)出的問題，通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)來改良傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用最大化地發(fā)揮，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，以此有效地促進(jìn)物理教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)探究意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生物理能力。

一、DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值

（一）可視化實(shí)驗(yàn)過程

受現(xiàn)代化、數(shù)字化技術(shù)水平所影響，教育信息化程度較為不足，因此在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)的可視化特點(diǎn)往往難以得到充分的體現(xiàn)。而在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以以數(shù)字化系統(tǒng)為依據(jù)，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的總體流程進(jìn)行細(xì)致的觀察，具有重要的應(yīng)用優(yōu)勢。通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用，可以讓物理實(shí)驗(yàn)更加可視化，有利于學(xué)生進(jìn)行更加細(xì)致、全面的觀察，形成科學(xué)、客觀的物理觀，掌握物理知識(shí)與實(shí)驗(yàn)原理。

本實(shí)驗(yàn)中利用傳統(tǒng)的小桶、小車、紙帶、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，雖然學(xué)生通過紙帶可以較為直觀地看出小車運(yùn)行速度的大概變化情況，但無法通過肉眼辨別小車速度變化的具體數(shù)值關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間方面可能存在一定的短板，學(xué)生通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄下來的實(shí)驗(yàn)信息計(jì)算出速度變化需要一定的時(shí)間。物理教師通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，在軌道和小車上分別裝載位移傳感器，記錄下小車在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位移，在軟件中擬合出X-t圖像，有利于學(xué)生直觀地掌握實(shí)驗(yàn)信息，也提升學(xué)生對數(shù)據(jù)圖像的處理能力。

（二）彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)空白

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是物理教師開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對于最終的物理教學(xué)效果有著決定性的作用。從客觀角度來看，受時(shí)間、空間因素所影響，在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往存在多方面問題，以至于無法充分發(fā)揮出物理實(shí)驗(yàn)在物理課程教學(xué)當(dāng)中的教學(xué)價(jià)值，難以有效地確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果。通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白，讓物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加靈活，也更符合高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。

“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”這個(gè)實(shí)驗(yàn)是牛頓第二定律的重要鋪墊，而牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律，由此可見這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要作用。這個(gè)實(shí)驗(yàn)首先應(yīng)重視“探究”二字，然而許多教師把實(shí)驗(yàn)做成了“驗(yàn)證加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，一味地注重結(jié)果，卻忽視了實(shí)驗(yàn)探究最重要的意義：培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

此外，從教學(xué)內(nèi)容來看，高中物理課程對于知識(shí)的探討更加深入，具有一定的學(xué)習(xí)難度，需要物理教師采取有效的教學(xué)手段來提高教學(xué)的有效性，因此在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的不足之處，讓學(xué)生轉(zhuǎn)變機(jī)械式記憶知識(shí)的學(xué)習(xí)方法，使物理課程的學(xué)習(xí)更加具有趣味性與靈活性。因此，物理教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以進(jìn)一步改善學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境，提高教學(xué)的實(shí)效性。

二、DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用原則

（一）需正確認(rèn)識(shí)DIS

科學(xué)性是應(yīng)用技術(shù)的首要原則，物理教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，必須要正確認(rèn)識(shí)DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢與應(yīng)用要點(diǎn)，并基于科學(xué)性的原則對DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行合理的應(yīng)用。物理教師必須要轉(zhuǎn)變自身的教學(xué)觀念，正視DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)當(dāng)中存在的意義與功能，主動(dòng)接納并能夠在教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)。

此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對學(xué)生觀察能力要求高，實(shí)驗(yàn)過程長、觀測次數(shù)多、還需要反復(fù)操作，能夠提升學(xué)生的耐心和耐力。在本實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法需要打10根以上的紙帶，重復(fù)多次操作可以大大提升學(xué)生的觀察能力。而DIS實(shí)驗(yàn)在上述能力培養(yǎng)方面存在一定的不足?，F(xiàn)行教材教學(xué)大綱要求，學(xué)生要掌握正確使用儀器的方式與方法，并完成實(shí)驗(yàn)的觀察、測量和讀數(shù)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)十分重視這一方面，如何選擇器材及規(guī)范使用，讀數(shù)時(shí)要注意儀器的量程和精確度。而DIS實(shí)驗(yàn)，大部分讀數(shù)都由計(jì)算機(jī)完成，在這方面的能力鍛煉略有不足。

所以物理教師必須要主動(dòng)學(xué)習(xí)DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用方式與要求，并在此基礎(chǔ)之上將傳統(tǒng)教學(xué)的特色與現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行充分的結(jié)合，最大化突出傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)的教學(xué)效果，通過二者的優(yōu)勢互補(bǔ)提高整體的教學(xué)質(zhì)量。

（二）需堅(jiān)持實(shí)踐原則

物理作為一門兼具理論性與實(shí)踐性的課程，不僅需要學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的理論性物理知識(shí)，同時(shí)還需要學(xué)生能夠掌握基本的實(shí)踐能力，只有學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握并應(yīng)用知識(shí)，才能夠?qū)ξ锢碇R(shí)進(jìn)行深入、透徹的理解。因此，物理教師在開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，必須要遵循實(shí)踐性的原則，并在此基礎(chǔ)上為學(xué)生提供觀察實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生獲得良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。為此，物理教師在設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理的安排，在保證學(xué)生能夠有充足的時(shí)間對物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、思考的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)為學(xué)生保留實(shí)踐環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供充足的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)手操作，有效推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

三、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)的分析

（一）難以觀測的實(shí)驗(yàn)

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往難以觀測，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也較為模糊，實(shí)驗(yàn)用時(shí)較短，學(xué)生無法清晰地掌握物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)通過優(yōu)化后，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材中的木板、小車換成粗糙程度更均勻的DIS軌道小車；用光電門傳感器和采集器替換傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來測量計(jì)算小車的加速度。由于不用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，所以實(shí)驗(yàn)中的阻力主要來源于小車和軌道之間的摩擦力。在軌道的任意兩個(gè)位置固定光電門，在DIS軟件中設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，給小車一個(gè)初速度，讓小車在軌道上自由滑行，當(dāng)小車經(jīng)過每個(gè)光電門時(shí)，立即顯示出小車的速度。比較表中的V1、V2的值可以快速地判斷出摩擦力是否平衡，表格中第2次小車通過兩個(gè)光電門的速度相差萬分之一，這樣摩擦力基本平衡。

（二）難以控制的實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)作為實(shí)踐性教學(xué)，往往易于受到多方面因素影響而遇到多方面問題，導(dǎo)致物理實(shí)驗(yàn)存在不可控的問題，以至于物理教師需要占據(jù)更多的教學(xué)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

本實(shí)驗(yàn)中若是通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行，便需要物理教師準(zhǔn)備裝有沙子的小桶，但在實(shí)際裝沙子的過程中往往無法完全確保沙子是否會(huì)有灑落的情況，且小車在木板上運(yùn)動(dòng)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)輕微的歪斜情況，不僅需要物理教師重新對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行處理，同時(shí)也易于出現(xiàn)誤差。而通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，可以通過傳感器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于保障實(shí)驗(yàn)的可控性與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（三）數(shù)據(jù)處理要求高

受課堂教學(xué)時(shí)間所限制，物理教師在組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，往往只能夠?qū)λ@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行較為粗略的計(jì)算或是定性研究，難以完成定量計(jì)算，對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量也無法有效地確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)。

本實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式除了得到數(shù)據(jù)需要很大的計(jì)算量，得到數(shù)據(jù)后也難以找出加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系。而通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，快速得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再通過軟件進(jìn)行描點(diǎn)[圖（a）]和圖像擬合[圖（b）]，得到a－F圖像，較為精確地得出加速度與力之間的關(guān)系，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街写嬖诘木窒扌?，學(xué)生在探究的過程中體驗(yàn)到探究的樂趣和得到結(jié)論的喜悅。

（四）測量精度要求高

在進(jìn)行實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，無法避免的主要問題便是實(shí)驗(yàn)的誤差，其主要分為兩種類別：第一種是系統(tǒng)誤差，但在實(shí)驗(yàn)誤差中的占比較??；第二種是偶然誤差，且由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常都需要學(xué)生通過人工的方式收集信息并計(jì)算數(shù)據(jù)，因此偶然誤差在實(shí)驗(yàn)誤差中的占比較多。而通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中畫點(diǎn)、擬合圖像，以此最大程度降低物理實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差。

本實(shí)驗(yàn)中通過DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以得到比較精確的數(shù)據(jù)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)先擬合出a-M圖像，發(fā)現(xiàn)是一條曲線[圖（c）]，學(xué)生聯(lián)系已有的數(shù)學(xué)知識(shí)通過分析討論得到各種假設(shè)，然后再去擬合驗(yàn)證所提出的假設(shè)，最后發(fā)現(xiàn)a-圖像是一條幾乎通過原點(diǎn)的直線[圖（d）]，所以得到加速度與質(zhì)量成反比。本實(shí)驗(yàn)中，探究過程遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果重要。

四、結(jié)束語

綜上所述，物理教師若想要更好地在物理教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，必須要轉(zhuǎn)變自身教學(xué)觀念，正確認(rèn)識(shí)到DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢與不足，遵循DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用原則，將傳統(tǒng)教學(xué)的特色與現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行充分的結(jié)合，通過科學(xué)、合理的方式應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)生成數(shù)據(jù)與圖表，提高實(shí)驗(yàn)的可控性與精確性，讓學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)觀測時(shí)有更好的體驗(yàn)感，更容易地掌握相關(guān)物理知識(shí)，提高物理教學(xué)的有效性。

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