李煥新

摘 要：隨著現(xiàn)代技術(shù)與高中物理實驗教學(xué)的不斷融合，DIS實驗走進了高中物理課堂。DIS實驗有別于傳統(tǒng)實驗，作為高中物理教師也要與時俱進，不斷的調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)方式，優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)，使高中物理更高效，更富有吸引力，能吸引更多的學(xué)生選修物理。

關(guān)鍵詞：DIS實驗；傳統(tǒng)實驗；新課程；教育信息化；核心素養(yǎng) 高中物理

面對日趨激烈的國際競爭，2017年教育部制定的《普通高中物理課程標準》提出了“立德樹人，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，滿足學(xué)生終身發(fā)展的需求，關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需求，提倡教學(xué)方式多樣化”。新課程標準加強課程內(nèi)容與生活中物理以及現(xiàn)代社會和科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用所帶來的各種問題，引導(dǎo)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗，倡導(dǎo)教師通過多樣化的教學(xué)方式[ 1 ]，利用現(xiàn)代信息技術(shù)增強科學(xué)探究能力和解決問題的能力。

DIS實驗通常指在實驗過程中利用傳感器獲取實驗數(shù)據(jù)、通過數(shù)據(jù)采集器采集實驗數(shù)據(jù)，利用電腦記錄并處理實驗數(shù)據(jù)，得到實驗結(jié)果[ 2 ] 。DIS實驗是教育信息化不可缺少的組成部分，利用DIS實驗可使很多實驗的測量精度大大提升，使物理實驗教學(xué)更高效，可以優(yōu)化高中物理的實驗教學(xué)。

1 為什么要推廣DIS實驗

1.1 是教育信息化的需要

教育信息化是指在各級教育行政部門的規(guī)劃、指導(dǎo)和組織下，在教育系統(tǒng)的各個領(lǐng)域全面深入地應(yīng)用信息技術(shù)，實現(xiàn)教育信息化、現(xiàn)代化的過程[ 3 ]。它將使我國的教育更高效、更符合時代要求。在中小學(xué)教學(xué)中教育信息化體現(xiàn)在教學(xué)過程、教學(xué)管理、教學(xué)反饋、教學(xué)評價等方面深入地應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)。DIS實驗在高中物理課堂的普及，是高中物理課堂教學(xué)的重大變革，對傳統(tǒng)的教學(xué)理念、方式、內(nèi)容和方法產(chǎn)生巨大的影響[ 4 ]。DIS實驗正潛移默化地轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊慕逃枷牒徒逃^念，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

1.2 有利于培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

實驗在高中物理教學(xué)中占十分重要的地位。高中生在學(xué)習(xí)物理的過程中，需要面對大量的物理實驗。物理實驗對學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的形成起到至關(guān)重要的作用，從物理觀念的形成到科學(xué)思維的培養(yǎng)再到科學(xué)探究的意識以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的具備，每一個環(huán)節(jié)都與觀察實驗息息相關(guān)。同時，從浙江和上海的高考選考情況反映出學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理時面臨的困難。因此，作為高中物理教師要有正確的教學(xué)方法的引導(dǎo)，才能盡量避免物理在學(xué)生心中的尷尬地位。如果高中物理教師能重視實驗教學(xué)的應(yīng)用，應(yīng)用DIS實驗培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和訓(xùn)練科學(xué)的思維方法，將會助力于我國教育目前推崇“核心素養(yǎng)教育”。DIS實驗不僅僅是手、腦并用的實踐活動，同時由于它與現(xiàn)代科技的發(fā)展更加緊密更加能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在實驗過程中，通過查閱相關(guān)傳感器實驗資料、理解實驗儀器工作原理、創(chuàng)新實驗方法、觀察實驗現(xiàn)象、排除實驗故障、通過軟件得到實驗數(shù)據(jù)并分析實驗數(shù)據(jù)等活動，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維能力、物理學(xué)科與信息技術(shù)的整合能力、觀察能力、分析論證能力以及語言表達能力都能得到鍛煉。

1.3 使物理實驗教學(xué)更高效

傳統(tǒng)物理實驗十分重視儀器儀表方面的要求。首先要學(xué)會選擇合適量程的儀器儀表，其次要弄清儀器儀表的精確度是否符合實驗要求，再次要明確實驗對儀器儀表的讀數(shù)方法，最后還要懂得數(shù)據(jù)記錄與處理。每個環(huán)節(jié)都會給學(xué)生造成困擾。應(yīng)用DIS實驗對學(xué)生要求轉(zhuǎn)為要了解各種傳感器的使用方法，會選擇合適的傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，會應(yīng)用電腦軟件等等。而對于讀數(shù)、精確度、數(shù)據(jù)處理等都將由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦來完成。比如在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的這個實驗中，利用傳統(tǒng)的電流表和電壓表測量電流和電壓，先要學(xué)會選擇合適量程的電流表和電壓表，其次還要注意電流表和電壓表的讀數(shù)方法，最后還要用描點法在坐標紙上描點，再用平滑曲線連接。而DIS實驗則不用這么麻煩，只要利用電流和電壓傳感器，通過數(shù)據(jù)采集器直接在電腦軟件中顯示電流和電壓的數(shù)值并做出圖象?？傊?，DIS實驗會大大提高物理實驗效率。

1.4 更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣

實驗教學(xué)一直以來被物理教師視為激發(fā)學(xué)習(xí)興趣最有效方法。傳統(tǒng)實驗由于儀器相對簡單、老舊，學(xué)生對于實驗的熱情很難提高，對于學(xué)習(xí)幾百年前的物理知識部分學(xué)生總提不起興致，這對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣效果不明顯。DIS實驗相對來說看起來更加的“高大上”，更貼近時代，更有新鮮感，更有吸引力，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的動力。在教學(xué)中如果我們能善于觀察學(xué)生的表現(xiàn)并因勢利導(dǎo)，將學(xué)生的好奇心、對實驗探究的興趣逐漸轉(zhuǎn)化為探求科學(xué)知識的動力，也會使物理在學(xué)生心目中的地位得到提升。

2 如何更有效的應(yīng)用DIS實驗

2.1 遇到難以觀測的實驗

在高中物理教學(xué)中經(jīng)常會遇到一些難以觀測的實驗或?qū)嶒灛F(xiàn)象不能清楚呈現(xiàn)的。特別是有些用時比較短暫的實驗。比如選修3-1中“觀測電容器的充放電”實驗，雖然利用傳統(tǒng)的電流表能觀察到電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)和電流方向，但是想進一步觀察電流大小的變化情況就無法做到了。利用電流傳感器通過電腦就可以清楚把電流隨時間變化規(guī)律呈現(xiàn)出來了。又如“驗證動量守恒實驗”，傳統(tǒng)實驗在速度的測量上通過遮光條遮住光電門的時間來計算速度，誤差是比較大的。應(yīng)用速度傳感器可以更直觀把速度顯示出來，也可以通過電腦快速算出碰撞前的動量和碰撞后動量。

2.2 遇到難以控制的實驗

除了遇到難以測量的實驗，在教學(xué)中也會經(jīng)常遇到難以控制的實驗。比如必修1中“測量最大靜摩擦力”這個實驗。傳統(tǒng)實驗經(jīng)常是利用裝有細沙的小桶通過細繩繞過定滑輪拉動小滑塊，在小滑塊剛要滑動的瞬間所對應(yīng)的沙和桶的重力作為小滑塊的最大靜摩擦力。首先本實驗中剛要滑動的瞬間，看起來簡單但實際操作時往往難以控制，如果處理不好還會出現(xiàn)細沙灑落的情況。同時，由于細繩與滑輪等存在的摩擦都會對于最終的測量造成較大的誤差。這個實驗利用力傳感器再通過電腦整個問題就容易多了。

2.3 對于數(shù)據(jù)處理要求高的

由于課堂教學(xué)時間的限制，很多的實驗我們在測量時只能粗略計算，甚至有些實驗只能定性分析，無法做到定量計算，更談不上精確測量了。例如，通過控制變量法“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”時。傳統(tǒng)的向心力演示器雖然有其獨特的優(yōu)勢，但無法精確測量角速度和向心力，更談不上二者之間的定量關(guān)系?，F(xiàn)在教學(xué)中新的向心力DIS實驗演示器通過藍牙與電腦連接，可以顯示向心力隨角速度變化的實時數(shù)據(jù)，借助于電腦軟件對數(shù)據(jù)進行處理，分別做出向心力與角速度一次方的圖象和向心力與角速度二次方的圖象，可以精確得到兩個物理量之間的關(guān)系。這些在傳統(tǒng)的實驗上是實現(xiàn)不了的。

2.4 對測量精度要求較高的

任何實驗都有誤差。實驗誤差可分為兩類：系統(tǒng)誤差和偶然誤差。傳統(tǒng)的實驗大多需要人工讀取和記錄實驗數(shù)據(jù)，因此偶然誤差占實驗總誤差的很大比例。DIS實驗可以自動采集實驗數(shù)據(jù)，同時可以通過圖象進行數(shù)據(jù)擬合（通過軟件可以實現(xiàn)一次擬合、二次擬合等），從而基本上最小化了偶然誤差。比如在做“平拋運動”實驗時，利用二維空間描跡儀，把平拋運動的軌跡通過傳感器進行空間定位并傳輸?shù)诫娔X中并進行描點，并對所描點進行擬合，大大減小了實驗誤差。

3 應(yīng)用DIS實驗時幾點個人看法

3.1 在使用DIS實驗時，不能拋棄傳統(tǒng)實驗

在應(yīng)用DIS實驗優(yōu)化高中物理實驗時，如果每節(jié)課都采用DIS實驗把傳統(tǒng)的一些實驗都拋棄了，這顯然不利于高中物理教學(xué)。好多傳統(tǒng)的物理實驗，設(shè)計非常巧妙，實驗現(xiàn)象非常清楚，方法非常簡單明了，獲得的實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)也更富有真實感，學(xué)生更容易接受，也很喜歡，沒必要都拋棄不用。

3.2 在使用DIS實驗時，要向?qū)W生簡要地介紹儀器的工作原理

好多DIS實驗儀器制作很精美，但是由于學(xué)生是第一次接觸這種儀器，搞不清楚儀器的工作原理。這時作為老師就不能想當然地認為這個儀器很簡單，一拿起來就直接開始操作。實際上即便是老師，如果他以前沒用過這個儀器，第一次看到也是一頭霧水。正因為這樣，在實驗之前應(yīng)對儀器的工作過程加以介紹，讓學(xué)生弄清實驗是如何進行的，數(shù)據(jù)是怎么來的。

3.3 在使用DIS實驗時，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會設(shè)計實驗方案

對一些可自行組裝和改進的分離式傳感器，可引導(dǎo)學(xué)生面對實際情況，提出并準確表達可探索的物理問題，從不同角度作出科學(xué)假設(shè)，制定科學(xué)的探究方案。比如電路部分實驗中很多DIS實驗采用磁吸式模塊化的實驗系統(tǒng)，可以讓學(xué)生快速靈活地選擇合適的實驗器材設(shè)備，實現(xiàn)自己的一些想法，有了一定的創(chuàng)新，而且通過采集器來獲取數(shù)據(jù)，并用電腦軟件顯示并處理數(shù)據(jù)。通過DIS實驗可以幫助學(xué)生找出規(guī)律并快速得出合理的結(jié)論。

總之，DIS實驗有利于國家教育信息化的開展，有利于現(xiàn)代技術(shù)與高中物理的深度融合。合理使用，DIS實驗將會比傳統(tǒng)物理實驗更有效率，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，更有利于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。建議有條件的地區(qū)為學(xué)校專門創(chuàng)建數(shù)字化實驗室，引進教師演示用的數(shù)字實驗系統(tǒng)，重視引導(dǎo)教師研究數(shù)字實驗系統(tǒng)對傳統(tǒng)實驗的改進方法，研究數(shù)字實驗系統(tǒng)的教學(xué)方式，促進教學(xué)手段與方式的現(xiàn)代化。

參考文獻：

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