例談DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用策略

夏煜明

摘 要：本文在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐中的案例，對DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用策略進(jìn)行了探討，并對應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)遇到的問題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)；高中物理教學(xué)；應(yīng)用策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）3-0073-3

隨著我國新課程改革的深入推進(jìn)，傳感器在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用也迅速地發(fā)展起來。例如，在高中物理“人教版”的教材中，在一些演示實(shí)驗(yàn)和“做一做”等師生互動(dòng)欄目中均出現(xiàn)了用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。相關(guān)研究表明，DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比確實(shí)具有一定的優(yōu)越性。但是，在一些西部地區(qū)的高中，DIS實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于物理教學(xué)才剛剛開始，很多問題還有待探討。在此背景下，筆者借助我校的數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室，對一些DIS實(shí)驗(yàn)如何應(yīng)用于高中物理教學(xué)，從策略和實(shí)踐的角度進(jìn)行了探討，希望本文可以對其他研究者起到一個(gè)拋磚引玉的作用。

1 DIS實(shí)驗(yàn)的概念界定

本文這里的DIS是digital information system首字母的簡稱，是指數(shù)字化信息系統(tǒng)。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)（實(shí)驗(yàn)軟件包）”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將一個(gè)或多個(gè)數(shù)字化信息系統(tǒng)放在特定的空間便組成了數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，簡稱DISLab[1]。DIS的工作過程可以分為信號的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等三個(gè)階段。DIS實(shí)驗(yàn)的主要技術(shù)特征有：實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)、測量精度高、微信號測量、自動(dòng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)、智能處理數(shù)據(jù)和提供數(shù)學(xué)工具[2]。

2 DIS實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略與實(shí)踐應(yīng)用

要應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)，首先就要了解DIS實(shí)驗(yàn)，了解傳感器的測量原理及操作。筆者通過文獻(xiàn)研究，并結(jié)合多次教學(xué)實(shí)踐，將DIS實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略總結(jié)如下：

第一，要選擇合適的DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示和探究，探究實(shí)驗(yàn)應(yīng)選操作步驟簡單、數(shù)據(jù)處理簡便、現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)。

例如，在學(xué)習(xí)“牛頓第三定律”時(shí)，學(xué)生對于牛頓第三定律的作用力與反作用力的“總是大小相等、方向相反、總在一條直線上”理解起來不夠深刻。因此，筆者就設(shè)計(jì)了利用力傳感器探究牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)探究前，簡單介紹一下力傳感器的原理和使用方法。然后，讓學(xué)生根據(jù)教材上的“做一做”——“用傳感器探究牛頓第三定律”，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時(shí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“拉力實(shí)驗(yàn)”和“壓力實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)操作都很簡單，但是現(xiàn)象非常明顯。最后，教師再引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以很容易得出拉力或者壓力總是大小相等、并且方向相反。

又如，在學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律時(shí)，可以將教材上的“探究電流產(chǎn)生的條件”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，用DIS微電壓傳感器來代替電流計(jì)，以此探究感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生條件，并可以進(jìn)一步探究或者驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容。

第二，要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境，設(shè)置認(rèn)知沖突。興趣是學(xué)生最好的老師，在教學(xué)中如果創(chuàng)設(shè)較強(qiáng)的情境沖突，那么必將引起學(xué)生的興趣，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。

例如，筆者曾經(jīng)為同事設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)于動(dòng)量守恒方面的DIS實(shí)驗(yàn)。為了效果逼真，我們給這個(gè)實(shí)驗(yàn)加了一個(gè)故事導(dǎo)入，還專門做了一個(gè)簡單的動(dòng)畫并配上音樂。上課的時(shí)候，通過多媒體把動(dòng)畫展示出來，然后現(xiàn)場進(jìn)行配音。故事內(nèi)容大致如下：“在一個(gè)寒冷的漆黑的大年三十的晚上，董良開著一輛老爺車行駛在結(jié)滿了冰的路面上，他心里十分激動(dòng)而又焦急，他已經(jīng)一年沒有回家了，希望可以早點(diǎn)回家與家人團(tuán)聚。然而，不幸的事情發(fā)生了，董良的老爺車突然拋錨了。而就在離他幾十米的車后，棟梁也懷著激動(dòng)而又興奮的心情，開著才買的新車往家里趕，可能是天黑路滑的原因，棟梁沒有看到董良的車，等他反應(yīng)過來，兩輛車已經(jīng)很近了，快要撞在一起了，這個(gè)時(shí)候……”然后，教師提問學(xué)生，“這個(gè)時(shí)候會發(fā)生什么事情呢？”學(xué)生異口同聲地回答，“兩個(gè)車撞在一起了”。而此時(shí)，老師把事先準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)器材拿出來，把數(shù)字實(shí)驗(yàn)室的小車導(dǎo)軌平放在桌面上，將一輛紅色小車和一輛藍(lán)色小車放在導(dǎo)軌上。然后說，那我們現(xiàn)在來模擬一下剛剛故事中的情境吧。然后，把紅車靜止放在軌道上，用手推藍(lán)車，讓藍(lán)車去撞紅車（兩輛小車相撞端固定有磁鐵）。結(jié)果，出乎意料的事情出現(xiàn)了，藍(lán)車馬上停了，紅車卻動(dòng)了起來。下面的學(xué)生感到很驚奇，然后，老師對學(xué)生說，“那下面我們來學(xué)習(xí)動(dòng)量守恒定律，學(xué)習(xí)了之后我們再來解釋剛剛這個(gè)現(xiàn)象?！边@個(gè)故事導(dǎo)入和小車實(shí)驗(yàn)，成為了這節(jié)課的亮點(diǎn)。在?。ㄊ校┘墐?yōu)質(zhì)課大賽中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入設(shè)計(jì)，均得到了專家評委和其他教師的高度評價(jià)。實(shí)際上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈感來自于碰撞模型中的“速度交換”情形。

第三，要注重在平時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的DIS實(shí)驗(yàn)技能。在進(jìn)行DIS實(shí)驗(yàn)前，最好進(jìn)行簡單的實(shí)驗(yàn)器材介紹和實(shí)驗(yàn)原理介紹以及必要的操作培訓(xùn)。特別是如果要進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，一定要讓學(xué)生對DIS實(shí)驗(yàn)器材的原理非常熟悉之后再進(jìn)行，否則，反而會加大學(xué)生的理解難度。

例如，在“用位移傳感器探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)中的位移傳感器的工作原理并不太清楚。如果教師不事先介紹，而直接引入這個(gè)實(shí)驗(yàn)，那學(xué)生對這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)和圖像可能理解起來就比較困難。實(shí)際上，這里的位移傳感器是通過位移發(fā)射器和接收器組成的一對傳感器。實(shí)驗(yàn)的原理就是通過每隔一段時(shí)間，發(fā)射器同時(shí)發(fā)射激光和超聲波，激光速度較快，可以忽略其傳播時(shí)間，接收器接收到激光開始計(jì)時(shí)，接收到超聲波計(jì)時(shí)結(jié)束，然后通過公式x=vΔt計(jì)算出小車此時(shí)的位移，由此得出位移與運(yùn)動(dòng)時(shí)間二者的實(shí)時(shí)關(guān)系。但是，要想得出位移與時(shí)間的圖像關(guān)系，必須把采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合。這里的數(shù)據(jù)處理需要教師進(jìn)行講解和培訓(xùn)，并在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，教師需要進(jìn)一步引導(dǎo)和指導(dǎo)。學(xué)生在這里學(xué)會了數(shù)據(jù)處理，后面用到位移傳感器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理就比較容易了。

因此，筆者認(rèn)為如果要把DIS實(shí)驗(yàn)用好，就要從高一開始打好基礎(chǔ)，從一開始就滲透DIS實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，先可以進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，然后再進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

第四，DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合。無論DIS實(shí)驗(yàn)多么先進(jìn)，它依然只是一種教學(xué)輔助工具，也不能用它代替所有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，不能認(rèn)為以后就不需要傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)了。兩者的關(guān)系應(yīng)該是共存互助，相互取長補(bǔ)短，既要釆用DIS的技術(shù)優(yōu)勢，又要繼承傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法，這樣才能發(fā)揮最大優(yōu)勢，才能全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。在使用DIS實(shí)驗(yàn)的時(shí)候一定要明確，它是為教學(xué)服務(wù)的。我們的教學(xué)主體是學(xué)生，所以該不該使用DIS實(shí)驗(yàn)、如何使用DIS實(shí)驗(yàn)，一切要從學(xué)生的實(shí)際和學(xué)生的發(fā)展出發(fā)，使教師的教學(xué)理念、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和現(xiàn)代信息技術(shù)達(dá)到盡可能完美的融合。

3 問題與討論

DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，具有不少優(yōu)勢，例如實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯并且測量數(shù)據(jù)精度高，并具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性，數(shù)據(jù)處理方便、直觀。但是，在應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)，也會遇到一些問題。比如，DIS實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可能需要花費(fèi)更多的時(shí)間來了解傳感器的工作原理，在做定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會花不少時(shí)間來熟悉DIS器材的操作和調(diào)試。另外，可能由于一個(gè)很小的操作失誤，將得出錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，在應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)之初，可能會比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但是，只要我們花時(shí)間去研究，當(dāng)我們熟悉了這些傳感器的使用之后，你會發(fā)現(xiàn)DIS實(shí)驗(yàn)的魅力，特別是在做定量實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，由數(shù)據(jù)直接得出函數(shù)圖像關(guān)系，將給學(xué)生會帶來極大的震撼，并且?guī)椭鷮W(xué)生更加容易理解物理規(guī)律中各個(gè)物理量之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞麗萍.DIS在高中物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].金華：浙江師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011：12-16.

[2]宋樟偉.DIS在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].金華：浙江師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011：17