基于校本课程下的DIS创新型中学物理实验案例开发

陈炜烜

摘   要：本文探讨利用高一校本课程的四个学段的时间，师生共同开发DIS创新型中学物理实验案例方面的实践和体会。

关键词：数字化信息系统;校本选修课程;中学物理;DIS创新型实验;实验能力

数字化信息系统DIS是Digital Information System的缩写，是以真实实验为基础，由传感器、数据采集器和计算机上运行的实验软件构成的信息实验系统。系统弥补了传统中学物理实验中的诸多不足之处，将信息技术和传感器相结合应用到中学物理实验中，提升了实验教学效率，培养了学生的实验动手能力、团队分工协作能力、观察能力，分析和解决问题能力，创新精神和科学素养等。随着科技的不断发展，物理实验越来越多地利用新技术和设备，如DIS实验在物理教学中以其独特的功能越来越受到重视。使用和开发DIS物理实验案例的研究，是非常必要的。本文介绍在课题研究的过程中利用高一校本选修课程的四个学段的时间，师生共同开发中学物理DIS创新型实验案例方面的收获和体会。

第一学段：让学生熟悉使用DIS器材与其他实验器材相结合的操作。典型案例如下：探究弹簧的伸长长度与弹力的关系，将力传感器代替重物进行数据采集，传感器的测钩向上连接弹簧，手持力传感器，对软件调零，打开“计算表格”在计算表格中，增加变量F，选自定义来自力传感器;增加变量x，自定义手动输入;增加变量k，选公式a/b，a为F，b为x;用力拉传感器使弹簧伸长，点击软件开始测量，自动记录F值，并手动输入x，软件自动算出k值。改变x多测量几组数据，点击绘图，选定横轴和纵轴变量，得到一组数据点，对数据进行数据处理，一次拟合，发现拟合线与数据点基本重合，且通过原点，可推断弹力的大小与弹簧伸长的距离成正比关系，用屏幕截图（图1）保存图像。该实验还可以进一步延伸，把弹簧换成橡皮筋，探究出弹力的大小与橡皮筋伸长的距离成正比关系。

这一学段效果较好，学生能较熟练利用传感器进行常规实验的测量，并积极与老师交流DIS使用过程中遇到的困难，主要困难有：传统实验转变为DIS实验的过程中，对于每个物理量应如何更好地进行设置和测量;DIS实验时间控制，时间轴缩放的合适比例等等问题，师生都进行了详细的交流和探讨。

第二学段：整理教学实践中能通过DIS实验探索较好的操作方案，并在实践中利用DIS实验改进、增加一些传统实验手段做不出、做不好的实验，提高实验效果和效率。本学段以研究高一“自由落体”为例，自由落体运动是一种速度极快的下落运动，很多教师在授课时采用教参提供的方法：（1）频闪照相法，（2）采用重锤加打点计时器的方法。前者只能通过观看视频授课，后者测量结果偏差较大，实验效果也不佳。所以，本课题组在基于DIS实验的基础上，两节课分别由永安一中的沈老师和我校的陈老师进行同课异构教学，并作为福建教育学院万名骨干教师培训的示范课。

1.沈老师利用朗威DIS中的实验方法，用位移传感器测位移和时间来研究自由落体运动。具体来说用位移传感发射模块作为自由落体运动的研究对象，位移传感器接收器固定在铁架台上，当传感器发射模块做自由落体运动时，朗威数字实验系统软件描绘记录下如图2的自由落体的“s—t2”图线。截取一部分图线，借助软件功能分析出物体下落的加速度大小。

存在问题：位移的测量应从速度为零开始，实际测量存在较大误差;位移与时间是二次函数关系，给学生分析问题以及图线拟合带来较大困难;位移传感器下落过程不够平稳，容易翻转，造成测量上有一定误差;位移传感器落地速度较大，容易损坏。

2.陈老师采用自制教具如图3，原理如图4所示，在计算机软件中设定好光栅的宽度d，光栅对光电门的遮光时间Δt可以通过数据采集器同步进入计算机软件，利用速度公式v=d/Δt，便可计算得到该光栅的速度。每个光栅的速度都可以进行实时同样计算获得，在计算机软件中也能同步描绘出如图5的v-t图像。

本实验通过测量和拟合v-t图象，解决了数据处理问题，并能精确的测量出重力加速度，实验效果明显、数据精确的同时也大大提高课堂效率，有效激发学生的自主创新意识。陈新光老师这节课的实验方法已申请国家发明专利（申请号：20151028023l.7）。

第三学段：在教学内容基础上设计一些探究型创新实验，进行了趣味实验探究，典型案例如下.

（1）胸口碎大石

这个表演最让人捏一把汗的是一锤子下去，对人的冲击力很大。设计DIS演示实验如图6，控制冲击效果一样，接触面一样的情况下一块砖与二块砖的，对力传感器的冲力，由此基础上，部分学生还设计了缓慢敲击和快速敲击的区别等步骤，进一步揭示了胸口碎大石的秘密。

（2）模拟蹦极实验

蹦极是在人身上栓一根弹性绳，然后从几十米的高空向下跳的极限运动。为了研究这个问题，专门准备了一个小实验，用玩偶来模拟人的蹦极过程如图7。用传感器来测量视重，传感器类似于弹簧测力计，可以测量物体对它的拉力，然后截图如图8，分析蹦极的过程。

另外，还做了利用声音传感器测量西瓜的成熟度，有的同学查资料发现有测量水果成熟度的传感器并对此着手进行研究，这些趣味性案例的开发过程让学生拥有更多的动手操作机会，激发学习兴趣，发挥了学生的主观能动性，拓展了学生探究问题的范围和深度，让物理实验真正与实际生活接轨，促进学生的实验能力全方位地发展。

第四学段：整理和完善所开发的DIS探究性实验案例，并分析DIS案例开发对学生物理实验能力的影响。利用高一选修过DIS实验课的学生和未参加过的学生进行实验技能测试，研究DIS使用对学生实验能力的哪些方面有较大影响。

测试过程设置如下：分别让他们探究利用力传感器探究力的平行四边形定则，使用两只力传感器设计好验证方案，选择粗细合适的细线、连接好橡皮筋和绳套，正确使用力传感器（安装，调零、读数、记录）。

通过老师的观察及和与学生的交流，再根据收集学生所做的实验的质量等手段，发现学生运用DIS进行实验案例开发后，在动手实验操作能力、实验进行观察和分析能力，尊重实验结果和注重实验事实等方面有明显提高。究其原因，由于记录和处理数据方面由计算机进行，学生动手实验操作的时间充裕，动手实验操作能力的明显提高;由于DIS实验记录的数据可以做到等时性（即每相同时间记录一次）和超短时间间隔，有利于研究各种运动和连续性物理现象，培养了学生深入细致的实验观察和分析能力;计算机直接读取数据客观准确可靠，没有了传统数据的认为修改问题，培养学生尊重实验事实的精神。选修过DIS实验课的学生物理能力总体有着明显的优势，但是也有存在问题，比如，对于计算机的依赖过大;计算机快速的数据处理方式，在一定程度上削弱了学生的实验记录和处理数据的基本功等等。因此，我们认为在高中的物理实验教学过程当中应该做到扬长避短，在恰当的选用DIS实验同时也不能忽视传统的实验手段。

综上所述，本课题组利用校本课程为平台，开发了大量DIS创新型中学物理实验，同时进一步分析论证DIS案例的开发过程对学生各种实验能力的影响，从而将所研究的成果指导性地用于提升高中生物理实验各方面的能力。