DIS实验用于高中物理探究式教学的实证研究

蔡福珍

摘 要：DIS实验用于高中物理探究式教学，不仅成为信息技术与物理课程整合、教育手段现代化的一个新的突破口，而且对于物理教学方式和学生学习方式的转变，对学生物理学科素养与实践能力的培养起到了重要的作用。本文结合教学案例，阐述了DIS实验的优越性，并就DIS实验与高中物理探究式教学相结合提出几点反思。

关键词：DIS实验；高中物理；探究式教学；实证研究

《课程标准》指出，物理课程必须与信息技术整合，构筑信息平台，建立数字化信息系统实验室。物理教材要适应信息时代的变革，整合物理教学与信息技术，及时构建信息技术平台。中学物理课堂中DIS实验与探究式教学的结合，是指在教师的指导下，学生运用学过的物理知识，针对研究课题提出假设，设计DIS实验方案，用DIS实验得出结论，归纳出物理概念或物理规律，而且在DIS实验过程中用探究式教学方式改进实验方案、分析实验误差、拓展生成问题等 [1 ]。

1 什么是DIS实验？

DIS是Digital Information System英语单词的简称，即是“数字化信息系统”的简称，DIS的核心组成元件为传感器和数据采集器，因此，DIS是一套基于传感器技术的信息系统。DIS实验是指运用数字化信息技术手段的实验，由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件构成。

2 DIS实验用于探究式教学的优越性

2.1 具有强大的数据处理功能， 利于学生学习方式的改变

传统实验探究需要人工测量、读取并记录数据，占去了大部分时间，导致课堂上学生自主时间太少，没有足够的时间让学生充分自由表达、质疑和提问。而DIS实验利用传感器和数据采集器代替人眼读取数据，用计算机软件取代纸笔方式记录数据，通过相应的软件对探测到的信息转化为相应的物理量的类型和数值。由于DIS实验强大的数据处理功能，学生可以从读记数据和图线描绘等繁琐费时的简单劳动中解放出来，将有更多的时间设计不同的实验方案深入探究，也会有更多时间进行广泛的体验、合作、交流，从而获得知识、技能、情感与态度的发展 [1 ]，特别是获得探究精神和创新能力的发展，大大改变了学生学习方式。因此，运用DIS有利于优化学生学习方式，是实施探究式教学的重要工具。

[案例1]探究共点力作用下物体的平衡条件

传统的实验中，将木板放在水平面上铺上白纸，采用三个弹簧称套上三根细绳互成角度的拉。以绳子的结点为受力对象，用弹簧称测拉力大小，利用结点和绳子定拉力方向。若其中两个拉力的合力与第三个力能等值反向，则说明合力为0。但是这个实验中不仅要读数，记录数据，还要作力的图示，不仅偶然误差较大，还要花费较多时间。教师可介绍一种新的实验仪器——力传感器，如图1所示。用两个传感器取代弹簧称通过细绳吊起一砝码，研究对象仍然是结点，且结点在圆盘的圆心。刻度盘能很好地确定两细绳的拉力方向，通过移动两根杆可改变两拉力间的夹角。传感器取代了弹簧称可以实时测拉力大小，不仅提高实验的精确度，还节省时间。两个传感器（F1、F2）对应连接到采集器接口A、B，采集器连接到电脑USB接口即可，操作简单方便。采集到的数据通过事先设定以图表形式显示，并自动画图。通过图像，学生容易发现规律。在这种情况下，在数据处理上有明确的处理形式的机械性工作实际上是由计算机来自动完成的，这样学生可将更多的精力投注在分析数据之间以及数据背后更深入的物理关系上。

2.2 增加了探究实验的准确度，利于学生发现物理规律

传统实验在测力、时间、电压、电流等物理量时，不仅存在读数误差，而且可读性较差，尤其在仪器指针不稳定时无法读数，或是在很短时间内来不及读数。但是DIS实验克服了这个缺陷，它准确且“实时”的实验数据加上强大的数据处理功能，能让学生快速地发现规律。

[案例2]DIS探究作用力与反作用力的关系

传统实验中，即使用两个同规格的弹簧称水平对拉，静止时也会出现两个弹簧称的读数不同的情况。这里面不仅有读数误差，弹簧也很容易与外壳摩擦从而加大误差，而且这个实验在探究非静止状态下作用力与反作用力的关系时，就会出现操作上的困难。在这种情况下，学生是很难发现作用力与反作用力的关系。DIS实验中，可将两只力传感器的挂钩钩在一起代替弹簧向相反方向拉动，减少了偶然误差。力传感器可实时、准确、快速采集数据，弥补了测量空白，学生可监测每一瞬时的数据，并通过计算机及相应的软件设定后将数据拟合为图形。在观察和分析两个力传感器间的相互作用力随时间变化的曲线关系时会发现无论力的大小如何变化，显示出的两个图形始终完全对称，这样很容易就能得到牛顿第三定律的结论。为了全面研究相互作用力的关系，教师还可以引导学生思考“运动”中的两个物体之间的作用力和反作用力是否同样遵守牛顿第三定律。比如把两个力传感器的挂钩对拉，把一个力传感器固定在运动的物体上 [1 ]，另一只握在手中。在这里DIS实验不是简单地探究一种现象，而有了深一步且全面的思考，利于学生透过物理现象发现物理本质与规律。

2.3 增加了探究实验的深度，利于激发学生学习物理的兴趣

DlS实时、准确快捷地处理繁琐数据，捕捉瞬时量，使实验过程可视，微观现象直观化，暂态现象“凝固”，能使原来不容易实现的实验或者无法定量分析的实验顺利完成，增加了探究实验的深度，不仅开拓了学生的视野激发他们学习物理的兴趣，而且极大地调动了学生的学习主动性，从而提高了教学效率。

[案例3]探究向心力大小的影响因素

这节课可先借助传统的向心力演示器创设问题情境，引导学生利用控制变量法猜想向心力大小的影响因素，让学生先有亲身体验，获得感性认识。再运用DlSlab向心力实验器通过力传感器测向心力大小，通过光电门测量角速度，并将测量的数据拟合成图形。借助DIS实验，使学生从问题的感性认识上升到理性认识的层面，从定性了解上升到定量研究，从而增加了探究实验的深度，激发学生学习的兴趣。

3 关于DIS实验与高中物理探究式教学相结合的几点反思

将DIS实验与探究式教学结合是为了最大程度发挥二者的作用，让它们成为常态， 增强学生的探究能力、创新意识和实践能力，提高学生的科学素养。DIS实验与高中物理探究式教学相结合一方面可以在探究式教学时运用DIS实验优化探究式教学的效果，另一方面可以在进行DIS实验时运用探究式教学优化DIS实验的效果。但是，在教学过程中也发现DIS用于探究式教学有其不足之处，其最大的缺点就是对知识点内容的理解或形成的原因比传统实验作用小。再者，DIS强大的数据处理功能在给学生提供便捷的同时，也在一定程度上削弱了学生处理数据的能力。因为真实的物理实验是在各种纷繁复杂的环境中产生的，需要在实验中去粗存精地合理估计测量，这种估计能力和近似处理的能力也是必备的基本技能，而DIS引入后学生学习和锻炼这种能力的机会无疑减少了。所以教师需要让学生掌握基本处理数据的方法并判断测量值的合理性。此外，传统实验本身也有自身的优势，如取材容易，实验成本低，实验原理清楚，现象分明，易于操作，其本身就能达到很好的实验效果，这时就不需要用DIS。所以DIS应用于高中物理实验与传统的实验应是共存与互补，相辅相成，既无主次之分，更不能完全替换，是继承与发展的关系。在物理教学过程中既要提倡DIS应用于高中物理实验，又不能偏废传统实验原理、实验手段和实验方法的学习，而应该从教学实验内容实际出发，将两者有机地结合起来，共存互补，才能充分发挥各自的优势 [2 ]。

参考文献：

[1]徐蓓蓓.物理DIS实验与探究式教学的整合和案例研究 [D].上海：华东师范大学，2010.

[2]余雪妹.传感器在高中物理新课程实验教学中的应用与思考[J]. 物理教学探讨， 2011（2）.