关于DIS实验流程模式的理论探究

渠雷雷

（蚌埠第二中学 安徽 蚌埠 233000）

赵永乐

（蚌埠第九中学 安徽 蚌埠 233000）

众所周知，实验教学是中学物理教学的一项重要内容和教学手段.实验教学的有效开展，关系到理论联系实践、提高学生科学素养、培养学生浓厚科研兴趣等教学目标的达成.然而面临当前社会信息爆炸式的迅猛发展，传统实验对广大师生的吸引力已大不如前，因此当整合了实验技术与信息技术的DIS实验一经出现，便立刻成为物理同仁一致关注的热点，并迅速取得了丰富的实践成果.

1 不可忽视的现象

1.1 实验理论发展的严重滞后

数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图像处理系统，实现了实验手段数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，在延续传统的同时超越传统［1］.

但是，我们要清楚地认识到，DIS实验系统与物理实验的有机结合需要教育思想的首先变革，即从教育观念、教育思想与教育模式等方面，强化和尊重师生双方的主动探究、创造性反思以及团队合作等全新的品质.

笔者认为，DIS实验系统其优越性的充分发挥，应契合于物理实验教学理念.这种契合，不是一方被动地适应另一方，而应该是双方主动地靠近和融合——正如冯容士院士所说，“工具的变迁，课改的理念”.新课改的理念催生了数字化实验系统，后者也反过来呼唤着实验理念的更新.但是实验教学理念的更新，却不能仅仅着眼于实践的层面，更应该加大对实验理论的关注.

而目前的相关研究，多是应用方面的具体实例，孤立的点状个案比较多，缺少理论上的归纳和整理.从一方面来讲，案例过于集中，观点大致雷同，课题重复造成浪费.更重要的是文章过于偏向实践，严重依赖于教师教学经验的积累.往往经验丰富、教学理念自成风格的老教师，在文章中信手拈来的案例，新教师由于经验的缺乏，只能生搬硬套.这说明广大物理同仁对实验理论的重视程度不高，缺少理论方面的融炼和交流，不能在宏观层面上形成明确的指导性，可移植性很差.

笔者认为，借由数字化实验的角度对物理实验基本理论进行深入研究，从理论角度，找到目前实验教学中存在的根本问题，从而优化实验，这是一个重要的研究方向.

1.2 一个表象的小问题

在提到数字化实验的时候，教师往往首先想到的是其如何突破传统实验手段的限制，比如，大幅度改进原来做不出、做不好的实验，变“不可见”为“可见”，由“抓不住”到“抓得住”，将“不好做的”转变为“好做的”［2］.所以大部分教师对数字化实验赞不绝口，对其发展的前景也充满着希望.

但如果换由学生的角度来看，考虑到中学生所处的年龄阶段，结论就不容乐观了.笔者在学生中做的一些小调查发现，很多学生在数字化实验课上“容易走神”，阶段性的“不知道在做什么”，内心里“不喜欢”甚至“排斥”数字化实验.调查结论显示：如果可以选择，学生更倾向于做传统实验.

那么，是什么原因造成教师和学生对待同一事物的观念差异呢？数字化实验和传统实验在本质上有什么区别？

2 问题分析

2.1 无法回避的主观感受

出现教师和学生对待数字化实验的观念差异，首先是看问题的角度和评价标准不同.教师从设计者的角度，更多的是关注实验结果的精确性，过程的严谨性，因此数字化实验当然更具优势.而学生对实验的评判依据则是自身好奇心和动手欲望是否得到满足，恰恰在这方面数字化实验有所欠缺.

实验课上学生只能机械地按照既定程序点击鼠标，总感觉缺少点儿实验探究的激情和乐趣，无法全身心投入实验过程 ——“不像是在做实验，更像是在学电脑”.因此从主观感受上找原因，DIS实验虽然精确性占优，但在直观性上比较欠缺，亲和力逊于传统实验.

2.2 两面性的客观特点

笔者在调查中也发现，DIS实验在理科基础好的学生中受到的排斥，要小于理科基础差的学生.或者说理科基础好的学生比理科基础差的学生更容易接受DIS实验.究其原因，既然DIS系统能够破传统实验手段的限制，改进传统实验做不出、做不好的实验，因此相应的在数据的底层处理上，本身就要比传统实验繁琐.这样正反两方面的客观特点，就决定了理科基础差的学生只能游离于实验的感性表层，无法深入地参与实验原理、实验设计和数据处理等重要环节.这实质上就凸显了学科培养目标与业已存在的学生分化之间的矛盾关系.

3 理论探究

3.1 二维分析图

基于上面的分析，如果把处理难度和参与度分别作为两个评判指标，对一堂实验课做一个二维分析，就可以大致衡量出该节实验课的效果如何.

图1 传统实验与DIS实验的二维分析图

如图1所示，在以数据处理难度和参与度为两坐标轴的平面象限中，受学生喜爱的传统实验因其处理难度低而参与度高，处于右下角的第四象限；被学生排斥的DIS实验因其较高的处理难度和较低的参与度，处于左上角的第二象限.而值得注意的是，如果一次实验教学，本身处理难度并不高，却没有有效地引发学生的积极参与，就沦为了左下角第三象限中的失败实验；与其完全相反的则是理论上的最优实验.

3.2 完整实验体系理论构想

从上面的分析可以看出，实验者的水平高低，实验者参与度的高低，也是对实验教学进行评价的一个重要方面.因此，为了进一步研究实验理论，笔者认为应当把实验者这一主观因素，与客观的实验器材一起组成完整的实验体系，并且淡化外在表象，仅从内在功能上进行切割划分.

为此，笔者提出了一个包括实验者和实验对象在内的，更广义的完整实验体系的理论构想.这一构想中，实验者和实验对象并不是脱离于实验仪器之外的无关事物，而是和后者一样，分属实验体系的一个环节或一个模块［2］.如果仅仅从功能上来看，可以将这三者划分为5个功能层，分别为：

（1）决策层.提出实验目的，设计实验方案，组织整个实验流程，并对数据做出深度分析.

（2）界面层.以一定的形式呈现数据，比如仪表盘、指示灯、软件界面等呈现的形式.

（3）处理层.能对数据进行各种简单处理 ——记录、转化和组织（包括图像、表格）.

（4）测量层.从实验对象采集所需的各物理量.

（5）对象层.实验的直接作用对象，问题的研究对象等.

这5个功能层自上而下构成一个5层的金字塔结构如图2所示.

图2 完整实验体系的5层金字塔结构

3.3 实验流程模式

需要提出的是，以上5层结构的相互位置，并不是绝对的.数据信息的流转顺序不同，顺序也会发生一定的改变，这就涉及到实验的流程模式.下面以伏安法测电阻这一实验为例，阐述传统实验和DIS实验在流程模式上的这种区别.

3.3.1 传统实验流程特点

图3 传统实验伏安法测电阻的实验流程模式

该传统实验的实验电路图和流程模式如图3所示，分析如下.

对象层.实验对象为小灯泡，灯座结构简单，对象展示直观、明晰.

测量层、界面层.电流表、电压表分别采集得到流过小灯泡的电流值和其两端的电压值，同时表盘也兼具界面的作用，把数据的实时值和变化趋势呈现给实验者.

处理层.实验者读数、记录数据，同时填写在事先准备的数据表格内，执行实验方案中的重复步骤，改变滑动变阻器位置，重复上面的过程.得到数据后进行计算或者作图，提供进一步决策的依据.

决策层.实验者事先制定计划，确定实验方案、选定实验对象和实验工具，并根据电路图连接、安装电路，以及故障排除，衡量实验误差，检测是否达到实验目的.

特点总结：测量层和界面层合一，实验对象的各项数据，被测量层采集后，直接呈现在各自的界面，成分散状态；实验者行使决策层和处理层两种功能；实验进行的快慢取决于实验者实验技能的熟练程度，节奏由实验者主导，其参与实验流程的程度较高.

3.3.2 DIS实验特点

图4 DIS实验伏安法测电阻的实验流程模式

该DIS实验的实验电路图和流程模式如图3所示，分析如下.

对象层.实验对象为厂商特制小型电路板上的小灯泡，其集成化、特型化的特点，对实验者形成一定的认知障碍.

测量层.电流传感器、电压传感器分别采集得到流过小灯泡的电流值和其两端的电压值.

处理层.传感器信号经过数据采集器的转换，传入计算机，并自动进行重复实验，由软件系统进行记录和汇总.实验者按照既定顺序，点击软件界面特点按钮，辅助完成数据处理.

界面层.软件系统依照通用的或者实验专用的界面呈现给决策层，大量数据信息经过集成后显示在同一界面，对实验者的信息阅读能力和分析能力要求较高.

决策层.虽然可以自行设计实验方案，但大多数实验受到实验器材设计思想的限制，只能采取既定方案；通常一个DIS实验有其特定的或者成套的器材，因此在器材选择上也不够自由.

特点总结：测量工具没有独立界面，数据采集的第一步无法形成直观感受，造成一定的距离感；从测量层、处理层到界面层，重复实验过程和数据处理过程不够明晰，全部由计算机完成，在认知上形成DIS黑箱，一旦出现故障，不易定位故障点；实验者行使决策的作用被削弱，在整个实验体系中处于边缘地位，参与实验流程的程度不高，器材反过来主导了整个实验过程，实验进行的快慢取决于器材和软件最初的设计.

3.3.3 两种实验流程模式的差异对比

从完整实验体系的金字塔结构图，也可以对DIS实验系统和传统实验系统，进行一个直观的对比.

图5 两种实验流程模式的直观对比

从图5的对比可以看出，DIS实验相比传统实验，有以下两点重要变化：

（1）处理层下移，界面层上移，说明由测量层采集来的原始数据，经过汇总、初步处理或转化后，方呈现给界面层.

（2）传统实验体系中的实验者占据了5层中的上两层，器材方面占据了中间两层；与之相对比的是，DIS实验系统囊括了体系的中间3层，实验者只保留了顶层.说明传统实验中器材和实验者在实验体系中占据的分量比较均衡；而DIS实验系统一定程度上架空了实验者的决策地位，会使得实验者因参与程度降低、对实验过程无法掌控而产生疏离感.

因此，至少就目前来看，传统实验仍有着DIS实验所无法取代的优势，即在亲和度、自由度和参与度上远超DIS实验.过分强调DIS实验的高效性、精确性，实质上是忽略了实验者的主观感受，忽略了中学实验教学对象的年龄特点，忽略了中学实验过程的教学性质.或许在科研领域，数字化实验将更加如鱼得水.但在中学实验教学示范中，为了优化实验教学效果，应当通过客观的、针对教学需求的分析，适当放慢实验节奏.这样才能更好地培养学生的创新意识和科学思维模式，更好地提高学生的动手能力和设计能力.

4 结语

笔者以为，实验教学案例的研讨，不应是空洞、随意或者盲目的靠数量取胜.物理实验教学的优化发展，也不应该窠臼于普通课型的常见分析方法.应该大力发展实验理论的研究，建立起一整套适合实验教学的评价依据和分析方法.这样，既方便实验案例的深入研讨，也有利于新教师的学习和成长.更重要的是，借由实验理论的深入研究，可以从使用者的角度，给数字化产品企业提供一个发展方向的有益建议，使其开发出更多更符合中学生年龄特点、更适合课堂教学演示、更受大多数学生欢迎和喜爱的数字化产品，也从更广泛的角度促成科学理论与应用技术之间的良性互动！

1 李进.基于数字化实验系统的物理实验拓展.教学仪器与实验，2009（7）

2 梁杰.朗威数字化信息系统走入中学实验室.中国教育报，2006－01－20（5）

3 董光顺.从DIS与传统实验的特点谈中学物理实验类型的选择.物理通报，2013（10）