DIS实验和传统物理实验在教学实践中的对比研究

夏良英 李永洪 张喜林

（东莞中学松山湖学校，广东 东莞 523808）

1 问题的提出

我国2003年颁布的《普通高中物理课程标准》中强调：“重视将信息技术应用到物理实验中，加快中学生物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等.”DISLab就是在这样的背景下被开发和引入到中学物理教学的.现行高中物理教材的许多地方都介绍了用传感器进行的物理实验.在教学实践中发现，DIS数字实验系统引入课堂教学，对新课程的教学改革起到了很大的促进作用.特别是在教育发达的上海、江苏一带，数字化实验教学研究较为普遍，主要表现在数字化实验与传统演示实验的对比研究，以及对中学教材中出现的物理实验进行修正与改进.一些有经济实力的学校率先建立了数字化探究实验室，但由于诸多原因并未开放给学生，实现真正的探究，甚至在课堂演示实验中也很少用到DIS.DIS实验到底为何没有得到大力的推广？是教师的原因，学生的原因，还是DIS本身的原因？还有DIS实验对于培养学生的物理思维和实验能力真的比传统实验好吗？传统物理实验和DIS实验在教学实践中各自的优缺点是什么呢？这些国内并没有开展相应的研究.

2 对比分析DIS实验和传统物理实验

对比分析两类实验在实验过程及其效果中的不同点及各自的优缺点，具体指导同一个物理实验到底应采用DIS实验还是传统实验（选取广东高考考纲要求的12个实验）.

2.1 验证性实验（表1）

表1

续表

2.2 探究性实验（表2）

表2

2.3 测定性实验（表3）

表3

3 编出实验题目对学生进行测试

为了对比研究DIS实验和传统物理实验在教学实践中的优缺点，本研究主要选取广东高考考纲要求的12个实验.但考虑到一些实验的可操作性以及测试结果的准确度，实际只选取“验证动量守恒定律”和“验证机械能守恒定律”2个实验.

参加测试的人数为104人，都是高二的学生，其中7班50人，8班54人.2个班级都利用传统仪器（“验证动量守恒定律”实验利用平抛运动和气垫导轨，“验证机械能守恒定律”利用打点计时器）进行了分组实验，其中7班还进行了DIS数字化实验，测试结果见表4.

表4

2个实验的测试题目选自高考模拟试题，注重考查学生对实验原理、实验操作、数据处理和误差的分析.为了统计方便，所有的测试题都设置为选择题，2个班级的平均分分别是55.2分和55.6分，总平均分55.4分.从总平均分来看，两个班级几乎没有差别，也就说明利用DIS进行实验后学生在实验原理、实验操作、数据处理和误差分析等方面的能力并没有得到明显的提高.从每个小题的得分情况来看，7班在对实验原理方面的理解比8班有明显的差距（第5题选出验证动量守恒定律的表达式，7班得分率50%，8班得分率88.3%）；在对光电门和光电计时器的掌握上，7班有一定的优势（分别是第10、11题，7班的得分率分别是96%、100%，8班的得分率分别为83.3%、88.9%）.这一结果反应了DIS数字化实验强化了学生对光电门和光电计时器的掌握，弱化了学生对实验原理和方法的理解.

在“验证机械能守恒定律”实验的测试题中，为了保证测试题目的公平性，没有引入光电门和光电计时器（因为8班只利用打点计时器来进行实验），从测试题的得分来看7班22.7分，8班22.5分，2个班级得分相差无几，掌握程度相当.

经分析，这2个实验利用DIS进行数字化实验，强化了学生对光电门和光电计时器的掌握，但对学生在实验原理、实验操作、数据处理和误差分析等方面的能力提升没有明显的帮助，还可能会弱化对实验原理的理解和掌握.

4 在常规教学中对比分析DIS实验和传统实验在培养学生物理思维和实验能力方面的不同点及各自的优缺点.

为什么会出现上述测试结果呢？究其原因，还得从DIS实验和传统实验的特点进行分析研究.

4.1 DIS实验和传统实验的装置组成

DIS实验，又称“数字化信息系统”，是由“传感器＋数据采集器＋实验软件包＋计算机”构成的新型实验系统.该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，利用传感器，例如电流、电压、压强、温度、声波、位移、力、磁、光电门等，可以实时地动态地测量各种物理量并把它们统一转化成电信号输入数据采集器，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合，而且多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台、强大的函数图像处理等，可以帮助对物理现象进行多角度的感知和多视角的深入分析与研究.

而传统实验中所用到的设备，绝大多数是以18、19世纪的物理学知识作为理论支撑，使用了几十年甚至上百年的老式装备，主要包括：秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、温度计等.这套设备的特点是每一个实验都必须由多种仪器组合使用，实验进程缓慢，精度不高，且要通过进行大量的人工计算来分析处理实验信息.

4.2 DIS实验和传统实验对学生观察、数据处理能力的培养

传统实验侧重于培养认真、细致、耐心等观察习惯；重视正确选择和使用仪器的能力培养；重视学生技能的训练；充分培养学生的计算能力、作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力.DIS实验则侧重于培养学生在观察中思考探究的能力；有利于提升学生利用现代化信息技术进行学习和拓展知识的能力；在数据处理过程中，有助于训练学生的数学图形分析能力、对复杂物理问题的分析判断能力.

例如，在讲牛顿第三定律时，传统实验利用2个弹簧秤相互钩住向相反方向，通过弹簧秤的示数变化来说明作用力与反作用力的关系.可是由于弹簧的精度太低，微小力的变化难以测出来.DIS实验（如图1）利用2个力传感器作相同的实验，精度高，效果好.传感器不但能够灵敏显示微小力的变化，而且能即时描绘出作用力与反作用力的力变化图像，形象直观地看出作用力与反作用力的性质.

图1

但是数字化实验仅仅只是在数据处理的时间上、精确度上以及图像展示上，具有传统实验无法比拟的优势，DIS实验数据处理得更快、更准确、更直观.而对于物理原理的理解、物理思维的培养和动手能力、绘图能力的锻炼，与传统实验对比，DIS实验对学生各方面的能力培养不足.例如，在“验证机械能守恒定律”实验中，传统实验要求学生根据纸带所打的点，利用平均速度公式计算某点的瞬时速度，进而通过求解验证.而DIS实验直接通过数据采集器采集重物下落的瞬时速度，然后由计算机直接反映出结果，这样虽然使得实验迅速、准确，但学生少了思考以及动手计算的机会，对学生能力培养不利.

综上，在物理教学中，实验的目的在于探索或验证物理规律，这就要求学生必须具有分析和处理实验数据的能力.传统实验在数据处理方面所花的时间很长，在数据处理过程中，学生要经过详细的计算或描点作图，才能够根据计算的结果或作出的图像进行分析归纳并得出结论.这可以充分培养学生的作图能力和计算能力，及利用数学知识解决物理问题的能力.但同时由于计算过程太过冗长，导致学生用于探索研究的时间较短.DIS实验则正好相反，它用于数据处理的时间很少，这些工作都由计算机来完成.学生的主要任务是根据数据进行探索、研究、推测结论，然后选择合适的函数进行拟合.这与传统实验明显不同，DIS实验给了学生很长的时间进行探索研究.

4.3 DIS实验和传统实验对学生思维能力培养

（1）对学生设计实验的能力及自主探究能力的培养.

基于社会发展对创新人才的需求，培养学生独立设计实验方案的能力及自主探究的创新和钻研能力已在实验教学中占有越来越重要的地位.传统实验由于仪器的简陋和操作的繁琐，一些必要的测量无法实现，因此对学生的设计要求具有很大的局限性，也限制了学生探究和钻研的深度与广度.DIS实验则为解决这类难题提供了器材和技术的保证.DIS实验仪器具有测量范围广、测量精度高、操作简便、数据分析迅速准确等特点和优点，可以达到很高的设计要求，所以更加注重对学生这方面能力的培养.在逐步开展的研究性学习中，DIS有着广泛的应用价值.很多实验都可以由学生自行设计、选材和完成，从而达到培养学生的自主探究能力、研究能力和创新能力的目的.

（2）对拓展、联想、猜测能力的培养.

丰富的想象力、广泛的联想能力以及大胆合理的猜测能力，是物理研究和创造性人才不可缺少的思维品质.许多历史上著名的物理学家就是通过对很多未知现象的观察、想象、联想，进行大胆的猜测，在此基础上再进行深入的研究，最后才总结出规律的.所以，培养学生的拓展、联想、猜测能力也是物理教改的方向之一.传统实验由于过分重视基本技能的培养，学生习惯于按部就班地做实验.再加上实验条件本身的限制，对学生思维的广度、深度及灵活性的培养不够，使学生的想象力得不到充分的发展.因此，在对学生拓展、联想、猜测能力的培养方面，传统实验是有所欠缺的.

而DIS实验独特的数形结合功能、函数模拟功能，以及先进的测量仪器，为优化学习方式、学会学习、倡导自主探究、实践体验和合作交流提供了空间和时间.所谓见多识广，学生思维的广度和深度及灵活性自然会有所增加，从而也会拓展学生的想象空间，增强他们的联想和猜测能力.

综上所述，DIS实验与传统实验在对学生各方面能力的培养上各有侧重，在教学中若能取长补短，定会达到更好的效果.DIS实验与传统实验应该同时并重，长期共存，互为补充，相辅相成，既无主次之分，更不能互相替换.它们不是推倒与重建、破和立的关系，而是继承与发展的关系.在物理教学过程中既要提倡运用DIS，也不能忽略传统实验原理、实验手段和实验方法的学习.

1 孙元清.高中钻研型课程导师指示手册［M］.上海：科技教育出版社，2001.

2 陶洪.物理实验论［M］，南宁：广西教育出版社，1996.

3 张越，冯容士，陆伯鸿.上海市DIS物理实验的钻研与应用经验汇编［J］.上海市教育委员会教学钻研室，2011.

4 冯容士，陈开运.物理实验创造技法和实验钻研［M］.上海：教育出版社，1991.

5 崔允漷.校本课程开发逐一理论与实践［M］.北京：教育科学出版社，2000.