科學(xué)探究是基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋?zhuān)约皩?duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的過(guò)程?？茖W(xué)探究主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素。教師在高中物理教學(xué)中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn)。它在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要地位。應(yīng)用信息技術(shù)采集和處理數(shù)據(jù)可以極大地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的提高。

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）指在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理方面采用傳感器和數(shù)字電路等技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，由特定的軟件加以計(jì)算、處理，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為現(xiàn)代教育技術(shù)，已被引入到中學(xué)物理教學(xué)之中。數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可保證物理實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，提高實(shí)驗(yàn)的可視性，使學(xué)生的感知更加具體、形象、豐富，為學(xué)生的科學(xué)探究開(kāi)拓廣闊的空間，為學(xué)生進(jìn)行大膽的想象提供有力的物質(zhì)保障，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知，提高課堂教學(xué)效率^[1]。

巧用DIS實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、主動(dòng)性及提高學(xué)習(xí)效果有著重要的作用。下面，筆者以“描繪小燈泡伏安特性曲線”為例，具體介紹。

一、巧用DIS電流和電壓傳感器，提高學(xué)生獲取證據(jù)的能力

“描繪小燈泡伏安特性曲線”是選自人教版高中物理教材3—1第2章第3節(jié)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。筆者引導(dǎo)學(xué)生參與該實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，正確選擇電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1是該實(shí)驗(yàn)的原理圖，圖2 是實(shí)物連線圖。

用傳統(tǒng)方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，師生使用普通電流表和電壓表獲取證據(jù)，存在較大誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)精度不夠。

本次實(shí)驗(yàn)探究中，筆者用電壓傳感器和電流傳感器代替電壓表和電流表。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)實(shí)物連線圖如圖3所示。

學(xué)生根據(jù)電路圖和實(shí)物連線圖連接電路并檢查（如圖4），檢查無(wú)誤后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。然后，閉合開(kāi)關(guān)，逐漸調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片，觀察小燈泡亮度變化情況，同時(shí)記錄電壓、電流傳感器的示數(shù)。

傳統(tǒng)的指針式電表存在一些不足：使用時(shí)需要人工讀數(shù)，誤差較大，讀數(shù)過(guò)程中也容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成實(shí)驗(yàn)失敗。利用傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)明顯：通過(guò)軟件，可以直接將電壓、電流信息以數(shù)字形式顯示并記錄在對(duì)應(yīng)的表格中，方便快捷。通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生獲取證據(jù)的能力從水平2提升到了水平4^[2]（見(jiàn)表1）。

二、妙用DIS實(shí)驗(yàn)軟件，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋和交流能力

實(shí)驗(yàn)結(jié)論的獲取依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，更多的是依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋。很多學(xué)生能獲取精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但不會(huì)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行合理解釋并推測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，難以提高依據(jù)證據(jù)、運(yùn)用邏輯和利用知識(shí)進(jìn)行科學(xué)論證和解釋的能力。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)表格中的數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)方格紙中用描點(diǎn)法作圖。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，描點(diǎn)法作圖已經(jīng)有大量的訓(xùn)練。學(xué)生對(duì)描點(diǎn)法作圖掌握得已很到位了，所以作圖本身不是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。這項(xiàng)工作完全可以通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)軟件自帶的作圖功能完成。軟件還能將描繪出的點(diǎn)用線連接起來(lái)（如圖5），再讓學(xué)生進(jìn)行分析。

觀察圖像形狀，可以判斷小燈泡的電阻隨著電壓的升高而升高。因?yàn)殡S著電壓的升高，小燈泡的亮度增加，溫度升高，小燈泡內(nèi)鎢絲的電阻率會(huì)隨著溫度的升高而增大，電阻值也增大。小燈泡的-圖線不是直線。軟件也能快速計(jì)算出每組電壓、電流值所對(duì)應(yīng)的電阻值，從而進(jìn)一步驗(yàn)證學(xué)生分析數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性。通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的解釋能力從水平1提升到了水平3（見(jiàn)表2）。

當(dāng)然，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的通用軟件可以實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電壓、電流隨時(shí)間的變化情況，并用圖像來(lái)顯示，還能將電壓、電流的變化情況放在一個(gè)圖像中進(jìn)行對(duì)照（如圖6），為學(xué)生的數(shù)據(jù)分析提供了支持，幫助學(xué)生提高科學(xué)思維能力。

三、通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)深入挖掘，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力

在物理實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)發(fā)掘?qū)嶒?yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題能力方面的潛在價(jià)值。教師要善于利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的意外，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，萌發(fā)新問(wèn)題。

在“描繪小燈泡伏安特性曲線”分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往會(huì)犯一些錯(cuò)誤，如調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片過(guò)快，弄反開(kāi)關(guān)閉合前滑動(dòng)變阻器滑片的位置。在用傳統(tǒng)器材進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，很難發(fā)現(xiàn)這些操作有什么問(wèn)題。用DIS實(shí)驗(yàn)傳感器來(lái)探究該實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果迅速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，會(huì)發(fā)現(xiàn)流過(guò)小燈泡的電流出現(xiàn)一個(gè)波浪形的圖像（如圖7）。如果滑動(dòng)變阻器滑片的初始位置不對(duì)，閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，流過(guò)小燈泡的波浪形圖像更厲害（如圖8）。這樣的電流在物理學(xué)中稱為浪涌電流。本實(shí)驗(yàn)中，由于電壓、電流變化過(guò)于迅速，而導(dǎo)體溫度的變化趕不上電壓、電流的變化，導(dǎo)致導(dǎo)體電阻的變化滯后，從而形成了浪涌電流。

在用傳統(tǒng)的電壓表和電流表來(lái)探究該實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于電表指針轉(zhuǎn)動(dòng)不夠迅速，而且指針指示的數(shù)據(jù)沒(méi)有滯留效應(yīng)，很難讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)浪涌電流的存在。利用DIS實(shí)驗(yàn)，能夠直接把電流的變化過(guò)程通過(guò)圖像顯示出來(lái)，從而讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中成功捕獲到浪涌電流，給學(xué)生的探究帶來(lái)了意外的收獲，也有利于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。

從表3可以看出，利用DIS實(shí)驗(yàn)開(kāi)展探究活動(dòng)確實(shí)讓學(xué)生分析問(wèn)題的能力提升到了水平4。

四、通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能

既然發(fā)現(xiàn)了浪涌電流的存在，那么浪涌電流有哪些危害，如何有效地減小浪涌電流呢。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)上查閱資料了解到浪涌電流的主要危害有電源輸入熔斷器熔斷，機(jī)械開(kāi)關(guān)或斷路器粘連失效，插入插座時(shí)產(chǎn)生打火現(xiàn)象，電源前端接入整流橋容易被擊穿損壞等。有效減小浪涌電流的方法有串聯(lián)溫度系數(shù)熱敏電阻、接入瞬變二極管、串聯(lián)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、串聯(lián)低頻扼流圈等。

下面，以串聯(lián)低頻扼流圈的方法來(lái)驗(yàn)證能否有效地減小浪涌電流。學(xué)生在電路中串聯(lián)低頻扼流圈（如圖9）。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浪涌電流雖然沒(méi)有完全消失，但減小得相當(dāng)明顯（如圖10）。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)串聯(lián)低頻扼流圈的方法的確可以有效地減小浪涌電流，從而有效地減輕浪涌電流帶來(lái)的危害。

筆者讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)、再探究，使其正確認(rèn)識(shí)到科學(xué)的本質(zhì)，通過(guò)小組合作，提高學(xué)生與他人交流的能力，實(shí)事求是，基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見(jiàn)解。為了減小浪涌電流帶來(lái)的危害，師生改進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)。這也促進(jìn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高。

DIS實(shí)驗(yàn)給教師的教和學(xué)生的學(xué)帶來(lái)了很多有益的、根本性的變化。當(dāng)然，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)也很突出，有些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用DIS是無(wú)法完成的。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可完全退出，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)兩者各有所長(zhǎng)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰^[3]（如圖11）。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中植入DIS傳感器，能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化、圖像化，便于學(xué)生觀察和分析。學(xué)生經(jīng)歷電路分析、圖像分析、深入探究和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)等過(guò)程，其科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)技可得到有效提高。

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（作者陳曉平系浙江省海寧中學(xué)教師;趙惠松系浙江省桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級(jí)中學(xué)特級(jí)教師，副校長(zhǎng)）