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1、DIS数字化实验系统和传统物理实验融合的实践探索温岭市松门中学 胡人华摘要随着课程改革不断深入,物理教学中对实验提出了更高的要求，本文论述了应用数字化实验系统优化高中物理实验教学的策略与方法，分别从静态到动态、定性到定量、课堂到课外以及创新实验设计的实践探究。关键词 数字化实验 传统实验 融合一、背景及意义新课程倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手、培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力；提倡多样化教学方式，鼓励将信息技术渗透于物理教学中。下表为现行高中物理教材中使用数字化实验统计表： 借助运动传感器用计算机测速度 人教版必修1用传感器探究作用
2、力与反作用力的关系人教版必修1用传感器观察电容器的充放电人教版选修3-1用磁传感器研究磁场人教版选修3-2用电流传感器演示自感对电路中电流的影响 人教版选修3-2用电压(流)传感器演示电压(流)波形 人教版选修3-2用传感器和计算机描绘简谐运动的图像 人教版选修3-4用光传感器做双缝的干涉实验 人教版选修3-4用光传感器做单缝的衍射实验 人教版选修3-4用传感器和计算机观察振荡电流 人教版选修3-4用传感器测量放射性 人教版选修3-5在新教材实施的初期由于受到客观条件的限制，上述的大多数实验停留在教师言传上，近几年由于硬件的改善，为数字化实验的开设创造了条件。那么数字化实验给我们带来了什么呢？
3、我们必须从传统物理实验说起。1.新课程背景下传统物理实验的主要缺陷（1）传统实验仪器的分辨率不高，影响了探究实验的结果。高中物理教材中一些结论性内容，由于受到常规仪器功能上的限制，只能停留在理论层面上，得不到实验的完美佐证。学生，甚至是老师也只能被动接受教材理论上的阐述。“求证”往往得不到满足，使学生科学观和科学精神得不到很好的培养。（2）传统实验的数据采样率不高传统实验中实验数据的记录只能采用手工记录，对实验结果的精确度影响较大，更重要的是传统的数据记录方法面对一些快速连续变化的量时往往无能为力。例如在牛顿第三定律的教学过程中，为了探究作用力和反作用的关系，传统教学过程中教师往往采用一对弹簧
4、测力计对拉，让学生来感受作用力和反用力的大小关系，但是我们的实验是在静态的过程中完成的，如果在运动过程中呢？在加速和减速过程中呢？相互作用力是否也是相等的，传统实验就解决不了这个问题。如果我们在教学中引入力传感器这个问题就迎刃而解。2.新课程呼唤数字化平台DIS系统不仅是仪器设备的改革创新，更是实现从传统强调知识积累、重视论证、重视结论，向注重知识的形成过程、强调科学探究、培养创新思维和合作精神的现代教育教学转变的重要载体。纵观历年各省市的高考物理实验题，有不少涉及利用传感器采集数据和分析的问题，所以在新课程中使用数字化实验是大势所趋。二、数字化实验与传统实验方式的关系 强调数字化实验并不是否
5、认传统物理实验。传统物理实验要求学生正确使用仪器进行观察、测量和读数，利于动手能力、观察能力培养。数据处理过程中，可以充分培养学生的计算能力，作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力，有利于培养学生的细致、认真、耐心等观察习惯以及学生实验技能的培养。 强调数字化实验并不是用其完全替代传统实验。对于一种新的技术我们要用辩证的态度去认识它，利用它。部分传统实验采用现代信息技术，可以使那些变化微小肉眼无法观察的实验、瞬时变化的实验等借助各种传感器将实验相关数据采集记录，加深学生对科学知识的认识。通过这些数字化实验让学生开拓新的学习思路，创建新的实验手段、建立新的实验方法、培育新型的人才。但是有些实验
6、还是利用传统的实验方式来的更加直观，如做力的合成分解实验，力的大小用弹簧秤来测量就比用力的传感器来测量要方便且直观得多;研究稳恒电路中电流，电压的分布，而且只要采集少量的数据，也没有必要用电流、电压传感器来代替普通的指针式电表。 数字化实验和传统实验要优势互补，要从实验内容、教学目标和发展学生思维的角度出发去利用数字化实验系统。教育的目的是促成人的发展，所以对于教育者来说更应该关注过程而不是结果。我们将数字化实验系统应用于物理实验教学中，主要为了弥补传统实验不足。三、DIS数字化实验系统和传统物理实验融合策略1从静态到动态，突破物理概念教学难点浙江省物理特级教师吴加澍非常强调我们在物理教学过程
7、中要做到物理知识问题化，问题情景化，学生要构建一个物理概念，我们必须要提供给他们相应的情景，让学生在情景中观察、分析、思考。如果传统的教学手段难以实现时，有时我们运用DIS实验系统，创设问题情景，从而为学生展示事物的本质。例如，物理选修3-2描述交变电流的物理量中对于正弦式交变电流有效值问题，教材中讲述了一段通过电流的等效热效应建立有效值的概念，而对正弦式交变电流的有效值和峰值之间的关系只说明了“理论计算表明”就得出关系。如此处理让学生感觉只是在知识的灌输，机械的记忆。但利用DIS实验却可以将有效值的真正意义形象地展示给学生。用两只电流传感器分别与两只完全相同的小灯泡串联，实验电路如图1所示。
8、调节两个图2图1灯泡达到相同亮度表示相同的功率（灯泡亮度较弱时用眼睛即可判定功率是否相同），此时记录下电流随时间变化的It图线，如图2所示。实验图线清楚地记载着两灯泡具有相同热功率时的电流时间图线，曲线表示最大值约为0.4A的交流电，直线表示恒为0.275A的直流电。通过该实验的演示，虽然还不能得到交流电的最大值与有效值的定量关系，但可以形象表达交流电有效值的意义，对于后面建立“正弦交流电的电流最大值是有效值的倍”的关系将留下深刻的印象。2.从定性到定量，为科学探究创设条件 建构主义理论告诉我们，学生的知识应该是通过其自身的探索实践，自我顺应或同化进行建构，教师应尽量多给学生创造探寻规律的情景
9、或物化模型，让学生自己去发现和构建自己的知识能力体系。DIS系统把原来的只能用现象模拟解释的实验直接转变为精确的实验数据，这样就使教学的直观性和科学性大大增强，同时也使学生从感性接受式学习模式走向体验探究的科学成长过程。 例如，物理必修2向心力向心力表达式的推导，教材根据牛顿第二定律和向心加速度表达式得到向心力的表达式，定义向心力概念。由于以往条件的限制教师在教学过程中比较强调向心力和其他物理量的定性关系。很难用实验来探究，而用数字化实验就能实现较为准确的定量探究。 器材:朗威DISLab数据采集器、光电门传感器、力传感器、向心力实验器、计算机实验操作主要步骤：（1）保持旋臂静止不动，对传感器
10、进行软件“调零”。拨动旋臂使之做圆周运动，挡光杆每次通过光电门传感器，记录下祛码的向心力值F并计算出此时的角速度。随着旋臂转速逐渐减慢，软件窗口上方的坐标系内将显示自右上方至左下方分布的一组F-数据点。对数据点进行分析。分别点击“一次拟合”、“二次拟合”、“三次拟合”，得出三条拟合图线。观察可见，二次拟合图线与数据点的分布非常接近，可推断F-之间是二次方关系。 (2)点击某个数据点，可显示出该点的坐标值，以便精确分析。(3)保持祛码的运动半径不变，改变其质量，重复实验，得出几组F-数据点。(4)保持祛码的质量不变，改变其运动半径，重复实验，得出几组F-数据点。图4 研究向心力与角速度之间的关系
11、图3向心力研究实验装置图(5)根据实验结果，分析向心力F与角速度和质量m的关系。图6 质量不变，改变半径得到的数据图5半径不变，改变质量得到的数据3.从课堂走向课外，激发学生探究热情重视培养学生运用现代信息技术完成物理实验的能力.数学图形的分析能力、复杂物理问题的分析判断能力;学生有更大的自行选材设计空间，培养学生的自主探究意识、能力和创新能力。DIS数字实验系统有高精确度、高灵敏度、实时测量记录数据的特点，设计教学活动可以帮助学生对一些生活、生产、自然现象中学生不易观察的现象进行重新思考与认识，从而让学生对生活、生产、自然现象产生兴趣，为创新提供思想基础，让学生养成遇事就要思考的习惯。 例如
12、：物理选修3-2中探究感应电流的产生条件做一做中有个学生探究主题：“摇绳能发电吗？”，把一条大约10m城电线的两端连在一个灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合导线回路。两个同学迅速摇动这条电线，可以发电吗？简述你的理由。你认为两个同学沿哪个方向站立时，发电的可能性比较大？试一试。 用传统的电流表来做，往往现象不是很清晰，主要原因是实验室里的电流表灵敏度不是很高，这就容易让一些学生对教材的理论知识产生怀疑。但如果在教学活动中用DIS实验系统来研究，也就是说用电流传感器连接在导线的两端，人面向东南西北四个方向都去尝试摇绳，观察绳索在切割地磁感线所产生的电流，现象就非常明显，通过这个实验设置会增强学生
13、探究地磁场的欲望，激发学生学习物理的兴趣，引发了学生的“创造”热情。4、 从传统到创新，适当替代，还学生思考的空间尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其实验优势填补了传统实验中诸如微小量测量、暂态量测量等多个测量空白，在真实实验的基础上实现了数字技术与物理实验教学的整合这预示着它具有很强的拓展性，承传并发展传统。图7例如：教材3-1电阻定律中，提供的探究方案一，“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”，如图7，A、b、c、d是四条不同金属导体。在长度、横截面界、材料三个因素方面，b、c、d跟a相比，分别只有一个因素不同：b与a长度不同；c与a横截面积不同；d与a材
14、料不同。利用控制变量法的方法可以得出长度、横截面积、材料这三个因素与电阻的关系。改变滑动变阻器滑片的位置，可以获得多组实验数据以得到更可靠的结论。图8从理论上讲，这个实验的设计非常的完美，也非常容易得出结论，但笔者根据学校现有的实验器材去操作这个实验的时候，由于电压表精度的限制，导体两端获得的电压往往误差比较大，很难让学生获得信服的结论。基于以上考虑，笔者对该实验中探究导体长度与电阻的关系作了重新设计，并拓展提升，组织教学。实验设计方案：与DISLab数字实验系统相结合，用电压传感器测出电压，位移传感器来测导体的长度，来研究到导体长度变化时，导体两端的电压如何变化。（实验电路如图8）教学片段设
15、计及拓展提升如下：教师活动学生活动设计意图指导学生阅读书本“探究方案一”。问题1、根据该实验的设计电路图，说出该实验设计的原理。教师演示：根据电路图连接实验设备，根据实验的需要用电压传感器来代替电压表，为了探究导体长度和电阻的关系用位移传感器来测量长度的变化。实验前介绍下电压传感器和位移传感器的使用方法。演示1：逐渐改变导线的长度，观察电压传感器的示数变化并通过电脑软件来记录U和L的数值。问题2、U和L可能是怎样的关系。通过数据的拟合得出U和L的关系。(教师截图，并保留数据)课堂延伸：思考1： 展示U-L图像，让学生来猜测直线的斜率有何意义？教师通过板演来推理斜率的意义。思考2：如何在第一段导线的基础上在串联上一段相同横截面积不同材料的导线，继续做该实验，会得到怎样的图像？学生阅读并思考讨论问题学生观察并思考实验的数据分析导体电阻与它的长度的关系：让学生利用串联知识，探讨此时导体电阻与长度关系
