利用数字化实验系统重构实验教学

徐海龙

(温州中学 浙江 温州 325000)

1 引言

新课程的实施，对物理教学提出了更高的要求，探究式教学要求学生用自己的眼睛去观察自然，用自己的思维去剖析现象与数据，从而达成对自然规律总结与理解．这种探究式教学的过程，对物理实验提出了更高的要求，许多物理概念和规律需要通过精确的实验探究才能得到.现行新课标高中物理教材多处出现运用数字化实验系统(DIS)进行实验探究的课题，这不仅是实验教学方式的变化，更是对新课程教学理念的贯彻和落实，使得物理教学回归到认识自然本质的科学道路上来．因此教师在实施课程的过程中，依据课程标准，结合学科知识特点对既定的教材内容和实验进行适度加工整合，充分利用数字化实验系统进行实验教学的重构，从而使之更好地适应具体的教育教学情景和学生的学习需求．

2 问题的提出

在新课标高中物理《选修3-1》(人教版)“电容器的电容”一节的学习中，教材用了抽象的文字配合示意图对电容器的充放电进行描述，学生对于这个关键过程缺乏直观感性的认识，从而造成认知障碍；另一方面，教材对电容这个重要物理量的引入更是基于条件限制只作了一般的叙述，学生理解更是困难重重．当然，教材编写者注意到了这点，所以在“做一做”栏目中，介绍了使用DIS观测电容器的放电曲线，这种借助计算机系统先进、直观、正在科技领域得到广泛应用的实验方法对学生掌握现代科学研究方法具有重要的启蒙意义．

但遗憾的是，教材设计的电路对观察充放电过程的电流方向缺乏直观感受，也没有说明电路中的电阻应选多大的阻值，导致很多教师无法成功完成实验，更没有将计算机拥有强大的计算功能引入电荷量的计算中，而是仍然采用传统“数格字计算面积”的粗略方法，这是对采用DIS进行实验研究一种不全面的应用．为此，本文结合高中课堂教学实际，设计了详实、简便而高效的实验电路示教板，并具体介绍了DIS系统采集数据后的后续处理，从而让学生直观感性地观察到实验现象，进而更深刻认识到电容器充放电规律及电容这个物理量的物理意义．

3 运用DIS实验探究电容器充放电规律

3.1 实验目的

了解电容器充放电过程中电流大小、方向的变化情况，探究哪个物理量能表征电容器储存电荷本领的大小．

3.2 实验器材

计算机1台，DIS数据采集器1台，电压传感器、电流传感器各1个，红、绿LED灯各1个，100 Ω的电阻1个，4700 μF的电容器1个，开关1个，学生电源1台，导线若干．

图1 DIS实验原理图

3.3 实验原理与观察准备

实验电路如图1所示，根据实验原理图自制的实验示教板如图2所示．向学生介绍电路，认识红绿两个LED灯指示电流方向的作用，认识DIS系统传感器功能．

图2 自制的1.5 m×0.8 m实验示教板

3.4 实验过程

(1)按电路原理图接好电路，断开开关，接入电源；

(2)先启动DIS软件的电压传感器和电流传感器采集功能，再闭合开关；

(3)电源开始对电容器充电，观察红绿LED的发光情况；

(4)DIS系统同步采集电压传感器和电流传感器的数据，每隔10 ms采集一次并记录在实验结果表格中；

(5)根据实验数据，DIS系统同步绘出充电电流I随时间t变化的I-t图(图3)；

图3 DIS采集的电容器充电过程I-t曲线

(6)断开开关，保存实验结果并进行分析；

(7)移去电源，在原电源接线处用导线短接，闭合开关后以上述步骤研究电容器放电实验．

3.5 实验结果分析

(1)充电过程LED发光情况

引导学生观察充电过程中红色和绿色LED灯谁会发光，亮度怎么变化？依图1所做实验会发现红色LED灯发光，表明充电电流呈顺时针方向；接通开头瞬间LED灯最亮，然后逐渐变暗直至熄灭.这表明电容器充电电流最初最大，然后逐渐减小，充电完毕后不再有充电电流．

(2)充电过程中I-t曲线反映充电电流大小的变化情况

再引导学生观察DIS系统从电流传感器得到电流数据描述而成的I-t图，可以更直观、更精确地理解电容器充电过程中电流的变化情况：电流从充电初始的最大值到充电完毕的零值非均匀地减小．

(3)充电后电容器两端的电压和电荷情况

接着让学生观察由电压传感器读取的充电完毕后电容器两端的电压值，如图3所示为5.9 V．表明电容器充电完毕后两极板间的电压保持一个稳定值，具有储存电荷和电场能的本领．

向学生提出设问：当电容器充电完毕后，两端电压为5.9 V，此时电容器储存了多少电荷量？因为数学方法欠缺的限制，学生对此问题的思考存在明显的思维障碍，因此，教师有必要从特殊的、简单的结论入手，推导出这种从电流I随时间t非均匀变化图像求电荷量的方法．

首先，向学生展示图4所示的恒定电流.假设在电容器充电时是恒定电流并充电t0时间，要求思考电容器获得的电荷量是多少？基于学生已经掌握的Q=I0t0公式，大家都能顺利理解图线与横坐标包围的面积即代表电容器获得的电荷量(图5)．

图4 随时间均匀变化的电流 图5 计算随时间均匀变化的

接着，再引导学生面对困难，通过实验所采集到的数据表明，电容器充电电流是如图3所示的随时间非均匀变化的电流，那么它与横坐标包围的面积能否代表电容器获得的电荷量呢？

这样，学生就能成功突破思维障碍，水到渠成地引入微元法的数据处理方法来解决电容器充电后带电荷量的问题.推导出电容器带电荷量

Q=I1t1+I2t2+I3t3+…

并进一步理解图中电流曲线与横坐标所包围的面积，即电容器两极板所带电荷量Q(图6)．

图6 电流曲线与横坐标所包围的

当前国内所开发的DIS实验系统均有对选定区域求面积(求积分)的功能，因此，在学生经过探究认识到电流曲线与横坐标所包围的面积即电容器两极板所带电荷量Q后，直接经DIS求面积从而得到电容器充电后的带电量Q．这样既促进了学生的科学思维的发展，也让他们认识到现代科学研究借助计算机系统的必要性．这种将严密的科学逻辑、创新的科学思维配合先进的计算方法相结合的研究方法是当前中学物理教育所缺失的，也是我们应当在高中物理教育教学中渗透的．

3.6 探究实验数据背后的自然规律

在学生掌握了利用DIS系统观察电容器充电过程充电电流的变化情况，并理解计算机系统通过计算I-t图线与横坐标包围的面积，即电容器两极板所带电荷量Q的基础上，改变不同的充电电压重复多次实验，得到一组充电完毕后电容器两端电压U与电容器所带电荷量Q的实验数据．

图7 多次充电实验电容器带电量Q与两极板电压U的关系

最后，向学生展示两个不同的电容器根据DIS实验获取的数据所绘制成的Q-U图线(图8)，然后引导学生展开讨论：若要你来选一个储存电荷本领更强的电容器，你会选择哪个？选择的理由是什么？

图8 两个不同的电容器根据DIS实验

4 总结与反思

强调物理基本方法的掌握与基本过程的分析是很多中学物理教师的传统，但轻实验、重说教；轻学生自主探究、重教师引导展现的现象也普遍存在．更有奉传统实验手段与实验方法为经典，轻视现代利用计算机技术处理实验过程与实验数据等先进方法的教师，这不仅有碍学生顺利、透彻、直观地了解物理这么最为生活的科学，更失去了一个奠定学生接受新事物、学会用发展的眼光看待事物、学会用先进的技术研究科学问题的机会．

因此，本文尝试了以DIS实验系统为基础对实验教学完成了重构，以学生自主探究为主要学习过程，以现代计算机技术为实验数据处理工具，直观地观察了电容器充电过程中电流的变化情况，深入理解了电容器所带电荷量Q与电容器两极板电压U的比值具有的物理意义，不仅顺利化解了难点，更重要的是：学生受到了积极利用现代实验仪器进行探索、使用现代计算工具进行实验数据分析的科学研究启蒙教育．

参考文献

1 P.W.Zitzewiez著.钱振华，等译.科学发现者.物理原理与问题.杭州：浙江教育出版社，2008

2 王骏.电容器电容的测量设计.中学物理教学参考，2002.5