DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的對(duì)比研究

夏良英 李永洪 張喜林

（東莞中學(xué)松山湖學(xué)校，廣東 東莞 523808）

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)2003年頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中強(qiáng)調(diào)：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)中，加快中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，諸如通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等.”DISLab就是在這樣的背景下被開(kāi)發(fā)和引入到中學(xué)物理教學(xué)的.現(xiàn)行高中物理教材的許多地方都介紹了用傳感器進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn).在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入課堂教學(xué)，對(duì)新課程的教學(xué)改革起到了很大的促進(jìn)作用.特別是在教育發(fā)達(dá)的上海、江蘇一帶，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究較為普遍，主要表現(xiàn)在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究，以及對(duì)中學(xué)教材中出現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正與改進(jìn).一些有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的學(xué)校率先建立了數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室，但由于諸多原因并未開(kāi)放給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)真正的探究，甚至在課堂演示實(shí)驗(yàn)中也很少用到DIS.DIS實(shí)驗(yàn)到底為何沒(méi)有得到大力的推廣？是教師的原因，學(xué)生的原因，還是DIS本身的原因？還有DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的物理思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰φ娴谋葌鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)好嗎？傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么呢？這些國(guó)內(nèi)并沒(méi)有開(kāi)展相應(yīng)的研究.

2 對(duì)比分析DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)

對(duì)比分析兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其效果中的不同點(diǎn)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體指導(dǎo)同一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)到底應(yīng)采用DIS實(shí)驗(yàn)還是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（選取廣東高考考綱要求的12個(gè)實(shí)驗(yàn)）.

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)（表1）

表1

續(xù)表

2.2 探究性實(shí)驗(yàn)（表2）

表2

2.3 測(cè)定性實(shí)驗(yàn)（表3）

表3

3 編出實(shí)驗(yàn)題目對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試

為了對(duì)比研究DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究主要選取廣東高考考綱要求的12個(gè)實(shí)驗(yàn).但考慮到一些實(shí)驗(yàn)的可操作性以及測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，實(shí)際只選取“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”和“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”2個(gè)實(shí)驗(yàn).

參加測(cè)試的人數(shù)為104人，都是高二的學(xué)生，其中7班50人，8班54人.2個(gè)班級(jí)都利用傳統(tǒng)儀器（“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)利用平拋運(yùn)動(dòng)和氣墊導(dǎo)軌，“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)，其中7班還進(jìn)行了DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4.

表4

2個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試題目選自高考模擬試題，注重考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和誤差的分析.為了統(tǒng)計(jì)方便，所有的測(cè)試題都設(shè)置為選擇題，2個(gè)班級(jí)的平均分分別是55.2分和55.6分，總平均分55.4分.從總平均分來(lái)看，兩個(gè)班級(jí)幾乎沒(méi)有差別，也就說(shuō)明利用DIS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后學(xué)生在實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等方面的能力并沒(méi)有得到明顯的提高.從每個(gè)小題的得分情況來(lái)看，7班在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理方面的理解比8班有明顯的差距（第5題選出驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式，7班得分率50%，8班得分率88.3%）；在對(duì)光電門(mén)和光電計(jì)時(shí)器的掌握上，7班有一定的優(yōu)勢(shì)（分別是第10、11題，7班的得分率分別是96%、100%，8班的得分率分別為83.3%、88.9%）.這一結(jié)果反應(yīng)了DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)光電門(mén)和光電計(jì)時(shí)器的掌握，弱化了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解.

在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)的測(cè)試題中，為了保證測(cè)試題目的公平性，沒(méi)有引入光電門(mén)和光電計(jì)時(shí)器（因?yàn)?班只利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)），從測(cè)試題的得分來(lái)看7班22.7分，8班22.5分，2個(gè)班級(jí)得分相差無(wú)幾，掌握程度相當(dāng).

經(jīng)分析，這2個(gè)實(shí)驗(yàn)利用DIS進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)光電門(mén)和光電計(jì)時(shí)器的掌握，但對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等方面的能力提升沒(méi)有明顯的幫助，還可能會(huì)弱化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和掌握.

4 在常規(guī)教學(xué)中對(duì)比分析DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生物理思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴牟煌c(diǎn)及各自的優(yōu)缺點(diǎn).

為什么會(huì)出現(xiàn)上述測(cè)試結(jié)果呢？究其原因，還得從DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行分析研究.

4.1 DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的裝置組成

DIS實(shí)驗(yàn)，又稱(chēng)“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實(shí)驗(yàn)軟件包＋計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，利用傳感器，例如電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門(mén)等，可以實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)地測(cè)量各種物理量并把它們統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集器，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合，而且多類(lèi)型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺(tái)、強(qiáng)大的函數(shù)圖像處理等，可以幫助對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行多角度的感知和多視角的深入分析與研究.

而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所用到的設(shè)備，絕大多數(shù)是以18、19世紀(jì)的物理學(xué)知識(shí)作為理論支撐，使用了幾十年甚至上百年的老式裝備，主要包括：秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電壓表、電流表、溫度計(jì)等.這套設(shè)備的特點(diǎn)是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都必須由多種儀器組合使用，實(shí)驗(yàn)進(jìn)程緩慢，精度不高，且要通過(guò)進(jìn)行大量的人工計(jì)算來(lái)分析處理實(shí)驗(yàn)信息.

4.2 DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生觀(guān)察、數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于培養(yǎng)認(rèn)真、細(xì)致、耐心等觀(guān)察習(xí)慣；重視正確選擇和使用儀器的能力培養(yǎng)；重視學(xué)生技能的訓(xùn)練；充分培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力、作圖能力及利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力.DIS實(shí)驗(yàn)則側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生在觀(guān)察中思考探究的能力；有利于提升學(xué)生利用現(xiàn)代化信息技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和拓展知識(shí)的能力；在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，有助于訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)學(xué)圖形分析能力、對(duì)復(fù)雜物理問(wèn)題的分析判斷能力.

例如，在講牛頓第三定律時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)利用2個(gè)彈簧秤相互鉤住向相反方向，通過(guò)彈簧秤的示數(shù)變化來(lái)說(shuō)明作用力與反作用力的關(guān)系.可是由于彈簧的精度太低，微小力的變化難以測(cè)出來(lái).DIS實(shí)驗(yàn)（如圖1）利用2個(gè)力傳感器作相同的實(shí)驗(yàn)，精度高，效果好.傳感器不但能夠靈敏顯示微小力的變化，而且能即時(shí)描繪出作用力與反作用力的力變化圖像，形象直觀(guān)地看出作用力與反作用力的性質(zhì).

圖1

但是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)僅僅只是在數(shù)據(jù)處理的時(shí)間上、精確度上以及圖像展示上，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得更快、更準(zhǔn)確、更直觀(guān).而對(duì)于物理原理的理解、物理思維的培養(yǎng)和動(dòng)手能力、繪圖能力的鍛煉，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生各方面的能力培養(yǎng)不足.例如，在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)紙帶所打的點(diǎn)，利用平均速度公式計(jì)算某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，進(jìn)而通過(guò)求解驗(yàn)證.而DIS實(shí)驗(yàn)直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集重物下落的瞬時(shí)速度，然后由計(jì)算機(jī)直接反映出結(jié)果，這樣雖然使得實(shí)驗(yàn)迅速、準(zhǔn)確，但學(xué)生少了思考以及動(dòng)手計(jì)算的機(jī)會(huì)，對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)不利.

綜上，在物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的目的在于探索或驗(yàn)證物理規(guī)律，這就要求學(xué)生必須具有分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理方面所花的時(shí)間很長(zhǎng)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，學(xué)生要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算或描點(diǎn)作圖，才能夠根據(jù)計(jì)算的結(jié)果或作出的圖像進(jìn)行分析歸納并得出結(jié)論.這可以充分培養(yǎng)學(xué)生的作圖能力和計(jì)算能力，及利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力.但同時(shí)由于計(jì)算過(guò)程太過(guò)冗長(zhǎng)，導(dǎo)致學(xué)生用于探索研究的時(shí)間較短.DIS實(shí)驗(yàn)則正好相反，它用于數(shù)據(jù)處理的時(shí)間很少，這些工作都由計(jì)算機(jī)來(lái)完成.學(xué)生的主要任務(wù)是根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索、研究、推測(cè)結(jié)論，然后選擇合適的函數(shù)進(jìn)行擬合.這與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)明顯不同，DIS實(shí)驗(yàn)給了學(xué)生很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行探索研究.

4.3 DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生思維能力培養(yǎng)

（1）對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力及自主探究能力的培養(yǎng).

基于社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新人才的需求，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力及自主探究的創(chuàng)新和鉆研能力已在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有越來(lái)越重要的地位.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于儀器的簡(jiǎn)陋和操作的繁瑣，一些必要的測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)要求具有很大的局限性，也限制了學(xué)生探究和鉆研的深度與廣度.DIS實(shí)驗(yàn)則為解決這類(lèi)難題提供了器材和技術(shù)的保證.DIS實(shí)驗(yàn)儀器具有測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)分析迅速準(zhǔn)確等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到很高的設(shè)計(jì)要求，所以更加注重對(duì)學(xué)生這方面能力的培養(yǎng).在逐步開(kāi)展的研究性學(xué)習(xí)中，DIS有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值.很多實(shí)驗(yàn)都可以由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、選材和完成，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力、研究能力和創(chuàng)新能力的目的.

（2）對(duì)拓展、聯(lián)想、猜測(cè)能力的培養(yǎng).

豐富的想象力、廣泛的聯(lián)想能力以及大膽合理的猜測(cè)能力，是物理研究和創(chuàng)造性人才不可缺少的思維品質(zhì).許多歷史上著名的物理學(xué)家就是通過(guò)對(duì)很多未知現(xiàn)象的觀(guān)察、想象、聯(lián)想，進(jìn)行大膽的猜測(cè)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行深入的研究，最后才總結(jié)出規(guī)律的.所以，培養(yǎng)學(xué)生的拓展、聯(lián)想、猜測(cè)能力也是物理教改的方向之一.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于過(guò)分重視基本技能的培養(yǎng)，學(xué)生習(xí)慣于按部就班地做實(shí)驗(yàn).再加上實(shí)驗(yàn)條件本身的限制，對(duì)學(xué)生思維的廣度、深度及靈活性的培養(yǎng)不夠，使學(xué)生的想象力得不到充分的發(fā)展.因此，在對(duì)學(xué)生拓展、聯(lián)想、猜測(cè)能力的培養(yǎng)方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是有所欠缺的.

而DIS實(shí)驗(yàn)獨(dú)特的數(shù)形結(jié)合功能、函數(shù)模擬功能，以及先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，為優(yōu)化學(xué)習(xí)方式、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、倡導(dǎo)自主探究、實(shí)踐體驗(yàn)和合作交流提供了空間和時(shí)間.所謂見(jiàn)多識(shí)廣，學(xué)生思維的廣度和深度及靈活性自然會(huì)有所增加，從而也會(huì)拓展學(xué)生的想象空間，增強(qiáng)他們的聯(lián)想和猜測(cè)能力.

綜上所述，DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在對(duì)學(xué)生各方面能力的培養(yǎng)上各有側(cè)重，在教學(xué)中若能取長(zhǎng)補(bǔ)短，定會(huì)達(dá)到更好的效果.DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該同時(shí)并重，長(zhǎng)期共存，互為補(bǔ)充，相輔相成，既無(wú)主次之分，更不能互相替換.它們不是推倒與重建、破和立的關(guān)系，而是繼承與發(fā)展的關(guān)系.在物理教學(xué)過(guò)程中既要提倡運(yùn)用DIS，也不能忽略傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí).

1 孫元清.高中鉆研型課程導(dǎo)師指示手冊(cè)［M］.上海：科技教育出版社，2001.

2 陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論［M］，南寧：廣西教育出版社，1996.

3 張?jiān)?，馮容士，陸伯鴻.上海市DIS物理實(shí)驗(yàn)的鉆研與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)匯編［J］.上海市教育委員會(huì)教學(xué)鉆研室，2011.

4 馮容士，陳開(kāi)運(yùn).物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造技法和實(shí)驗(yàn)鉆研［M］.上海：教育出版社，1991.

5 崔允漷.校本課程開(kāi)發(fā)逐一理論與實(shí)踐［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2000.