馬如宇 卓 敏

遼寧省教育技術(shù)裝備中心 遼寧沈陽 110032

☆現(xiàn)代教育技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用☆

DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學物理實驗教學中的應(yīng)用研究

馬如宇 卓 敏

遼寧省教育技術(shù)裝備中心 遼寧沈陽 110032

中學物理課程與信息技術(shù)整合是新課程關(guān)注的重點領(lǐng)域之一，數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）進入中學物理實驗教學是其具體的表現(xiàn)。本文在研究DIS的特點基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代教學技術(shù)的理論為指導，從現(xiàn)代教學理念的角度，通過對數(shù)字信息化系統(tǒng)(DIS)的構(gòu)成要素、技術(shù)特征和在教育教學中的地位和作用的深入分析，設(shè)計了DSI在物理教學中的應(yīng)用的案例，以期對DIS這門新興技術(shù)的研究有些裨益，也希望能對中學物理教師有所借鑒。

DIS 物理實驗教學 基于傳感器的實驗儀器

回顧近半個世紀的物理教育改革，最重要的成就是逐步確立了現(xiàn)代物理教學觀。教學過程從強調(diào)論證知識的結(jié)論向獲取知識的科學過程轉(zhuǎn)化，從強調(diào)單純積累知識向探求知識方向轉(zhuǎn)變。重視科學過程和重視能力培養(yǎng)，構(gòu)成了現(xiàn)代物理教育的基本原則。而物理學中，概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立，都有賴于實驗。因此，強調(diào)重視實驗、改進實驗，成為新課改對物理教學的基本要求。

一、DIS的定義及其構(gòu)成

DIS（Digital Information System）實驗技術(shù)，又稱“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）＋計算機”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實驗儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學的全面整合。

傳感器主要包括電流、電壓、壓強、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等多種傳感器。它們的主要功能是：實時地動態(tài)地測量各種物理量并把他們統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電信號送入數(shù)據(jù)采集器。并且，多種傳感器可以組合使用。在復(fù)雜實驗中，相比功能單一的傳統(tǒng)儀器儀表，這種組合的優(yōu)勢更加明顯—組合意味著進一步的創(chuàng)新。比如，光電門和力傳感器的組合構(gòu)成了“向心力實驗儀”的基礎(chǔ)；電流傳感器和力傳感器組合出了“安培力測量裝置”；而磁感強度傳感器與位移傳感器的組合，則創(chuàng)造性地獲得了“磁感強度一距離”關(guān)系圖線。

數(shù)據(jù)采集器，與計算機之間以串行方式通信。它可以同時接入四路傳感器、并行輸入，它的主要功能是：將由各類傳感器采集到的各種具有模擬特征的物理量轉(zhuǎn)換成能被計算機可以接受的數(shù)字量。

DSI系統(tǒng)的軟件主要包括教材專用軟件和教材通用軟件兩種。教材專用軟件主要是針對物理教材中的實驗研發(fā)而成，它可以完成中學物理教材中幾乎所有的演示實驗和學生實驗，簡潔、易用，更貼近課堂教學；教材通用軟件，可以自行設(shè)定許多功能，如組合、顯示、分析計算、曲線擬合等擴展功能，因而更適于探索研究。

二、實驗技術(shù)的技術(shù)特征

從以上對DIS組成結(jié)構(gòu)和功能的介紹可以看出，DIS實驗技術(shù)的價值主要表現(xiàn)在:可以方便、迅速地采集現(xiàn)實生活或?qū)嶒炇抑懈黝愇锢砹康男畔ⅲ⑼ㄟ^計算機接口技術(shù)，將采集到的各類物理量信息傳輸給計算機進行多元化的分析處理。其中，DSI實驗技術(shù)所具有的函數(shù)圖像處理功能，能直觀地揭示出相關(guān)物理量之間的關(guān)系。因而，有利于我們對研究對象進行定性和定量兩個層面的探究。此外不難看出，多類型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺、強大的函數(shù)圖象處理等是DSI實驗技術(shù)具有的主要技術(shù)特征。借助于這樣的技術(shù)支撐，可以使我們對物理現(xiàn)象進行多角度的感知和多視角的深入分析與研究。因而DIS實驗技術(shù)具有獨特的教學功能。

三、DIS在物理實驗教學中的地位和作用

中學階段是人生承上啟下的重大時期，DIS實驗將實驗數(shù)據(jù)數(shù)字化，在真實實驗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了信息技術(shù)與物理實驗教學的整合，使用該系統(tǒng)能夠完成力學、運動學、電磁學、光學、熱學及原子物理實驗數(shù)百個，這恰好很適合中學生的生理、心理需求，從而表現(xiàn)為強大的教育功能。DSI實驗?zāi)芗ぐl(fā)學生學習的興趣，是促進學生主動學習的一個有效方法，具有激勵功能：實驗?zāi)艹尸F(xiàn)物理學習所必須的感性資料，提供學習情景，具有情景功能；實驗?zāi)茳c出問題的起點，撥動學生思維，能點出問題的關(guān)鍵，撥正思維方向，具有點撥功能；實驗?zāi)芙沂粳F(xiàn)象的本質(zhì)，解釋問題的原因，具有釋疑功能；實驗還能訓練學生的思維，培養(yǎng)觀察、操作能力，具有能力訓練功能；實驗有助于體驗、認識和運用科學方法，有助于開展科學態(tài)度教育，有利于培養(yǎng)學生團結(jié)協(xié)作、積極進取的科學精神，具有教育功能；實驗過程本身作為一種科學實踐過程，能為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力提供有效的渠道和寬廣的空間，具有實踐創(chuàng)新功能。

總之，DSI能將現(xiàn)代化的教育手段應(yīng)用于教學，基于DSI的中學物理實驗教學能實現(xiàn)“求知、應(yīng)用、教育和發(fā)展”的教學功能，注重知識和技能的結(jié)合，強調(diào)物理規(guī)律形成的過程和探究方法，教學過程中能培養(yǎng)學生的情感、態(tài)度和價值觀。基于DSI的物理實驗教學是優(yōu)化學生學習方式的有效手段?；贒SI的物理實驗教學倡導學生主動參與交流、合作、探究等多種學習活動，改進學習方式，使學生真正成為學習的主人；強調(diào)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力，收集、處理、使用信息的能力；發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際問題的能力，形成科學態(tài)度，學會科學方法；具有獨立思考、自主探究的精神與求實創(chuàng)新的意識。

四、實驗實例及分析

1.教學目標

(1)通過深入探索實驗，培養(yǎng)學生設(shè)計、探究的能力。

(2)通過簡諧運動規(guī)律的揭示和整合，培養(yǎng)學生自主意義建構(gòu)的能力。

(3)通過操作DIS實驗系統(tǒng)，使學生能夠熟悉現(xiàn)代化的實驗儀器，掌握新的信息采集和處理方式。

2.教學重點與難點

(l)簡諧運動概念的理解。

(2)水平彈簧振子運動(水平)規(guī)律的探索。

3.實驗過程

(1)實驗?zāi)康模河^察彈簧振子的振動圖像。

(2)實驗原理：將位移傳感器發(fā)射器作為彈簧振子固定在彈簧振子實驗器上并使之振動，獲得的s-t曲線即為彈簧振子的振動圖像。

(3)實驗器材：DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)（本文以朗威?DISLabV6.0為例）、計算機、彈簧振子實驗器等。

(4)實驗裝置（如圖1）。

(5)實驗操作：①將位移傳感器發(fā)射器作為彈簧振子使用，懸吊并可做水平振動。將位移傳感器接收器固定在另一側(cè)，使之與接收器處于同一平面且基本正對；②將實驗窗口調(diào)整為“示波顯示”方式；③打開位移傳感器發(fā)射器的電源開關(guān)，使之水平振動，可以觀察到彈簧振子振動圖像（如圖2所示）。

建議：①嘗試改變彈簧振子的質(zhì)量，探究質(zhì)量對振動周期的影響；②利用位移傳感器的特點，鼓勵學生自行設(shè)計構(gòu)造彈簧振子實驗器。

4.教學策略

利用多種教學手段創(chuàng)設(shè)機械振動問題情境，引導學生分析、歸納，利用DSI系統(tǒng)提供的開放性探究性實驗平臺，引導學生自主設(shè)計彈簧振子實驗方案，進行實驗探索，獨立建構(gòu)意義。

5.整合與拓展

實驗結(jié)果是否具有普遍性呢?是否具有推廣的價值呢?對于別的情況也適用嗎?如果是以下幾種情況，結(jié)果是否還會一致嗎？

(1)用兩根彈簧水平拴住振子；(2)豎直放置彈簧振子；(3)把彈簧振子放在光滑的傾斜的斜面上。提議課下再設(shè)計實驗探究，繼續(xù)探究。

6.提升

通過對簡諧振動規(guī)律的由簡單到復(fù)雜的一系列探究過程，要讓學生對科學研究方法—控制變量法有更深入的理解，體會到方法的重要性。大膽的猜測，嚴密的求證，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。對誤差進行分析，采取新的方法減小誤差，培養(yǎng)學生對真理的不斷追求。

7.體會與反思

(1)DIS實驗與物理學科研究性學習的整合，應(yīng)在新的教學理念指導下，強調(diào)知識與技能，過程與方法，情感、態(tài)度與價值觀的三位一體，以基礎(chǔ)知識為本，將思想、方法融入過程之中，將學生體驗融入活動之中，在活動中提升價值觀。

(2)DSI實驗與物理學科研究性學習的整合，不是簡單的重復(fù)傳統(tǒng)的實驗，而是應(yīng)該有所創(chuàng)新，有所超越。這需要提供特定的情境，從中引出所需要探究的問題，利用DIS實驗的強大功能引導學生主動探索，研究，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

(3)DIS實驗與物理學科研究性學習的整合，不能僅僅是把DSI作為學生學習的工具，教師教學的手段，重要的是改變傳統(tǒng)的教師的教學方式，學生的學習方式。要使學生從被動接受到主動探究，建構(gòu)知識，獲得技能，利用DIS去發(fā)現(xiàn)，體驗，感悟，使學生學會對信息的獲取，分析，判斷，選擇，處理，充分發(fā)揮學生的主體性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，合作能力，團隊精神。

8.案后語

(1)傳統(tǒng)教材中，彈簧振子模型中的回復(fù)力與位移的關(guān)系，往往用胡克定律簡單處理，易給學生留下突兀的感覺，還有的學生對此產(chǎn)生懷疑。針對這種情況，根據(jù)新課程理念，應(yīng)給學生一個清晰的證明。但是，回復(fù)力和位移都在時刻變化，傳統(tǒng)器材根本無法準確測量。利用DIS，進行實時測量，較好的解決了這個問題。及時采集數(shù)據(jù)，并且繪成圖線，學生一眼看出是正比例函數(shù)，易于學生理解，對解除學生的懷疑具有更大的說服力，顯示出DIS的優(yōu)越性。

(2)利用DIS不僅可以探究回復(fù)力與位移的關(guān)系，還可以探究回復(fù)力與速度的關(guān)系，甚至回復(fù)力與加速度的關(guān)系?？梢宰寣W生在課下自主探究，這樣不僅可以培養(yǎng)學生的探究意識、動手操作能力，更重要的是在探究過程中，使學生對物理學方法、思想有了更深刻的感悟。這些都是傳統(tǒng)儀器無法做到，使用課件也無法達到的教學效果，充分顯示出DSI具有強大的生命力。

(3)從實驗實例中我們可以看出，使用DSI，重點要放在對探究問題的提煉上，放在探究實驗的設(shè)計上，關(guān)注學生的討論和生成資源，關(guān)注對學生的反思與評價，而不僅僅是關(guān)注探究的結(jié)果。在完成教學任務(wù)的同時，更要關(guān)注學生的發(fā)展。

五、結(jié)束語

應(yīng)用DIS，不僅是技術(shù)層面的提高，更是教育思想觀念的進步。首先，傳感器、計算機等等信息技術(shù)設(shè)備都是物理學發(fā)展和進步的成果，將其應(yīng)用到物理實驗教學當中，本身就是開闊視野、與時俱進的舉措。同時也為科學方法的培養(yǎng)和科學精神的塑造提供了鮮活的素材。其次，工具的發(fā)展是腦的擴展、手的延伸，是人類文明進步的階梯。有了飛機，人類領(lǐng)略到了天空的高遠；有了宇宙飛船，人類體驗到了太空的深邃；有了先進的實驗手段，學生們必定能夠收獲足以令我們意想不到的成功。

[1]張民生.中學物理教育學[M].上海：上海教育出版社，1999

[2]胡炳元.物理課程與教學論[M].浙江：浙江教育出版社，2003

[3]烏美娜.教學設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，1994

[4]馮容士.DISLab與力學實驗教學[J].物理教學，2004，11

[5]朗威數(shù)字化實驗室系統(tǒng)用戶手冊

[6]朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（DISLab）V6.0 物理實驗實例

[7]劉云覽.DIS實驗技術(shù)在物理教學中的實踐研究[D].華東師范大學物理系，2006

[8]潘洪濤.數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（DISLab）應(yīng)用研究—以高中物理實驗教學為例[D].上海師范大學數(shù)理信息學院，2008

2009-10-23

馬如宇，碩士，中教一級。