萬(wàn)慶

（阿勒泰地區(qū)第二高級(jí)中學(xué)高中，新疆維吾爾自治區(qū) 阿勒泰市 836500）

1 引言

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程，需要在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究來(lái)得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)算結(jié)果，從而在研究的過(guò)程中形成相應(yīng)的理論原理與觀點(diǎn)[1]。在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)中，主要是通過(guò)教師進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示以及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的形式來(lái)開(kāi)展，這種實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，且學(xué)生主要是基于預(yù)先設(shè)定好的實(shí)驗(yàn)過(guò)程開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)性與創(chuàng)造力的全面發(fā)揮。而DIS實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，能夠基于如今數(shù)據(jù)信息化技術(shù)的發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)效率的全面提升。

2 DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

DIS 實(shí)驗(yàn)是一種數(shù)字化的信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類型，主要是基于傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、軟件系統(tǒng)以及部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器所組成的一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠在應(yīng)用的過(guò)程中全面培養(yǎng)學(xué)生個(gè)體的觀察能力、實(shí)驗(yàn)操作能力以及創(chuàng)新能力[2]。而在現(xiàn)行的高中物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，力學(xué)教學(xué)內(nèi)容是一個(gè)重要的板塊，無(wú)論是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究還是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的研究，都離不開(kāi)相應(yīng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證相應(yīng)的定律。

2.1 提高實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集的效率

DIS 實(shí)驗(yàn)在高校全面應(yīng)用的基礎(chǔ)上，高中物理課程的實(shí)驗(yàn)課堂能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)構(gòu)建數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)室，以此來(lái)提高實(shí)驗(yàn)室內(nèi)數(shù)據(jù)測(cè)算的效率。傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，且會(huì)受到諸多認(rèn)為因素的干擾，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。而DIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趯?shí)驗(yàn)中通過(guò)傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，學(xué)生能夠基于這種智能化的信息分析系統(tǒng)進(jìn)行觀察與分析，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。

2.2 確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的精準(zhǔn)性

在目前高中的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要是基于老式的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)進(jìn)行高中階段學(xué)生的教學(xué)，例如秒表、刻度尺、彈簧秤等設(shè)備，這些設(shè)備容易在長(zhǎng)期的使用中產(chǎn)生損壞以及消耗，影響實(shí)驗(yàn)最終的結(jié)果呈現(xiàn)。而DIS實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，能夠基于力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)的采集，例如在向心力實(shí)驗(yàn)的測(cè)定中，能夠通過(guò)相應(yīng)的平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并且基于力觸感器的操作繪制向心力與影響因素的線性關(guān)系圖來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定程度的精準(zhǔn)性。

圖1 向心力的影響因素?cái)?shù)據(jù)測(cè)算圖

2.3 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)

DIS 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接，并且通過(guò)物理量的自動(dòng)識(shí)別來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)算。例如用DIS 的力傳感器以及光電門裝置，能夠記錄下軌道半徑的速率以及向心力的大小，并且通過(guò)這種自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)資料的整合來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖表的反映，從而實(shí)現(xiàn)一種數(shù)據(jù)可視化的呈現(xiàn)，幫助學(xué)生在更直觀的觀測(cè)中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)觀察，更好地強(qiáng)化學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的記憶深度[3]。

3 DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用的案例分析

3.1 瞬時(shí)速度大小的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

在我國(guó)高中教育階段物理教學(xué)的課程安排中，運(yùn)動(dòng)學(xué)是其中基礎(chǔ)性的學(xué)習(xí)內(nèi)容。瞬時(shí)速度是運(yùn)動(dòng)物體在某一石窟或某一位置中的速度，其作為一種物理矢量，既有大小也有方向，是力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)的物理量[4]。對(duì)于此類物理量的相關(guān)知識(shí)，教師主要是通過(guò)內(nèi)容講授的形式進(jìn)行課程教學(xué)，輔之以打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，瞬時(shí)速度的測(cè)算方法是將平均速度所取得的時(shí)間進(jìn)行最大程度的縮小，從而在最終的數(shù)據(jù)測(cè)算中得出數(shù)據(jù)結(jié)果，但是由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器震動(dòng)頻率的問(wèn)題，使得其結(jié)果難以實(shí)現(xiàn)最大程度的精確。

圖2 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器呈現(xiàn)結(jié)果過(guò)圖

然而，在DIS 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)算中，該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趯?shí)驗(yàn)操作中充分應(yīng)用電門傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行相應(yīng)的輔助性測(cè)算。例如按動(dòng)“開(kāi)始采集”按鈕后釋放小車，小車會(huì)在通過(guò)光電門之后停止數(shù)據(jù)采集，而且能夠采用不同寬度的擋光板進(jìn)行多次試驗(yàn)，從而保證數(shù)據(jù)測(cè)算的精準(zhǔn)程度。這種實(shí)驗(yàn)形式簡(jiǎn)化了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，且光電門的位置便是所測(cè)的瞬時(shí)速度的位置，學(xué)生能夠基于光電門來(lái)加深對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理解。如表一：

表1 DIS 實(shí)驗(yàn)測(cè)量瞬時(shí)速度大小

3.2 牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

牛頓三大定律，即慣性定律、加速度定律、作用力與反作用力定律，是力學(xué)的基礎(chǔ)性內(nèi)容，也是需要學(xué)生進(jìn)行全面理解與掌握的內(nèi)容。其中，加速度定律是高中物理課程中的一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容，需要教師在教學(xué)的過(guò)程中著重對(duì)于不同外力F 作用影響下的加速度a 進(jìn)行全面測(cè)算，并且通過(guò)控制變量法來(lái)全面探究a、m、F 之間的關(guān)系，即加速度、小車質(zhì)量、作用力之間的關(guān)系[5]。在傳統(tǒng)的加速度測(cè)算過(guò)程中，是通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)算，如圖3。但是需要對(duì)于紙帶上點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離進(jìn)行人工測(cè)量，而人工測(cè)量容易引起一定程度的誤差，這就使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中會(huì)因誤差導(dǎo)致難以驗(yàn)證定律而放棄實(shí)驗(yàn)探究。

圖3 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器參與實(shí)驗(yàn)操作圖

而運(yùn)用DIS 實(shí)驗(yàn)操作來(lái)驗(yàn)證牛頓第二實(shí)驗(yàn)定律，能夠通過(guò)位移傳感器來(lái)進(jìn)行信息的發(fā)送與接收，并且通過(guò)保持小車的質(zhì)量不變，通過(guò)重物的增加來(lái)改變小車質(zhì)量，從而全面探究實(shí)驗(yàn)中a、m、F 三者之間的關(guān)系。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2：

表2 小車質(zhì)量m 一定，加速度a 與外力F 的關(guān)系數(shù)據(jù)

總的來(lái)看，目前DIS 實(shí)驗(yàn)最大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)便是用傳感器代替了原來(lái)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并且在快速的數(shù)據(jù)測(cè)算中實(shí)現(xiàn)了小車加速度的全面測(cè)算。在該內(nèi)容教學(xué)過(guò)程中，DIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚬?jié)省大量計(jì)算的時(shí)間，并且能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制擬合的圖像，以此來(lái)更加直觀地觀察相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而更好地進(jìn)行相關(guān)理論與觀點(diǎn)的驗(yàn)證與分析[6]。

4 DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理力學(xué)教學(xué)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用策略

DIS 實(shí)驗(yàn)在應(yīng)用的過(guò)程中，能夠有效提升整個(gè)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)測(cè)算的運(yùn)算效率，并且全面提升整個(gè)實(shí)驗(yàn)總數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，從而簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，提高教學(xué)效率。在如今智能化信息時(shí)代不斷發(fā)展的背景下，我國(guó)高中物理教師能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中充分利用DIS 實(shí)驗(yàn)開(kāi)展教學(xué)，從而全面保證物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)效性。

4.1 智能模型建構(gòu)，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在高中物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，DIS 能夠通過(guò)智能化的模型建構(gòu)來(lái)提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)作效率。例如在彈簧彈力實(shí)驗(yàn)中，DIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼蚱苽鹘y(tǒng)的教育形式，實(shí)現(xiàn)智能化的模型建構(gòu)，從而完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)的方法。該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生既能夠通過(guò)傳統(tǒng)的刻度尺記錄形變數(shù)據(jù)，并且在手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)后生成最終的動(dòng)態(tài)變化曲線，也能夠通過(guò)力傳感器以及位移傳感器來(lái)共同記錄相應(yīng)的形變情況[7]?？梢哉f(shuō)，DIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞砸环N高效率的智能模型來(lái)完善整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，豐富了我國(guó)目前物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法與計(jì)算方式，從而促進(jìn)學(xué)生個(gè)體的物理實(shí)驗(yàn)問(wèn)題解決能力的全面提高。

4.2 科學(xué)合理應(yīng)用，教學(xué)漸進(jìn)引導(dǎo)

教師不能因?yàn)镈IS 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔?shí)驗(yàn)的運(yùn)算效率而將最終的實(shí)踐數(shù)據(jù)與結(jié)論強(qiáng)塞給學(xué)生，學(xué)生實(shí)際的動(dòng)手操作過(guò)程不能被替代，這就需要對(duì)于DIS 的實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行科學(xué)合理的應(yīng)用，并且通過(guò)循序漸進(jìn)的引導(dǎo)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的教育教學(xué)。例如在物體實(shí)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，需要教師提供給學(xué)生相應(yīng)的模板、小球、砝碼、白紙等傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器具，以此來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。而學(xué)生在操作的過(guò)程中容易受到外界人為因素以及客觀因素的影響，使得最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)誤差，影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，教師再采用相應(yīng)的DIS 實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行教學(xué)，就可以針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，從而加強(qiáng)學(xué)生的記憶深度。這樣就在科學(xué)合理利用實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)性教學(xué)，從而能夠促進(jìn)物理課堂教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

4.3 資源優(yōu)化整合，實(shí)驗(yàn)整體優(yōu)化

在DIS 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的過(guò)程中，需要對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行整合優(yōu)化，從而現(xiàn)在資源整合優(yōu)化的過(guò)程中優(yōu)化物理教學(xué)方案，全面推進(jìn)物理教學(xué)質(zhì)量的全面提升。一方面，在DIS 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的過(guò)程中，需要全面提升相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化功能，例如采用傳感器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置與計(jì)算機(jī)的連接，從而通過(guò)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化收集來(lái)提高數(shù)據(jù)采集的效率。另一方面，需要強(qiáng)化計(jì)算機(jī)的圖像信息呈現(xiàn)功能，鼓勵(lì)學(xué)生參與圖像信息的分析工作，從而基于實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)，記錄不同運(yùn)作狀態(tài)下物理變量的變化，更好地推進(jìn)利用計(jì)算機(jī)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助性學(xué)習(xí)的進(jìn)程[8]。可以說(shuō)，在如今信息化時(shí)代發(fā)展的過(guò)程中，我國(guó)高中物理教學(xué)也需要順應(yīng)物理教學(xué)的信息化進(jìn)程，在教學(xué)活動(dòng)中更好地實(shí)現(xiàn)資源整合以及實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化，從而切實(shí)提高物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類型相比，DIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谘芯康倪^(guò)程中提高數(shù)據(jù)測(cè)定與計(jì)算的精準(zhǔn)性，并且通過(guò)可視化的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反映，更好地提高物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)效率。因此，我國(guó)在未來(lái)DIS實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，可以通過(guò)資源的優(yōu)化整合來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，全面提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。