关于数字化信息系统与物理实验教学的整合

关于数字化信息系统与物理实验教学的整合*

任俊仙

(太原师范学院山西 太原030031)

*全国教育科学“十一五”规划教育部重点课题“中国电化教育(教育技术)发展史研究”之子课题——“电化教育实验研究”，项目编号：DCA070186

摘 要：通过对数字化信息系统(DIS)的构成、教育功能及应用背景的分析，并举例说明将数字化信息系统与物理实验教学进行整合后，可克服传统实验仪器的多种弊端，优化物理实验教学过程，提高教学效率和质量，体现新课程的教育教学理念，把物理实验教学推入数字化时代.

关键词：DIS物理演示性实验物理探究性实验整合

作者简介：任俊仙(1951-)，女， 高级实验师，研究方向为物理实验教学、现代教育技术、半导体器件.

收稿日期：(2014-12-23)

1引言

随着信息技术的快速发展、国家基础教育课程改革的稳步推进，以及欧美等发达国家将数字化信息系统应用于理科教学的积极影响，我国新课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化信息系统与课程整合提出了明确要求.国家教育部提出，要重视将信息技术应用到物理实验室，加快物理实验软件的开发与应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等[1].由于数字化信息系统的教育功能和教育理念很好地反映了新课改的理念，因此数字化信息系统实验也相继被编入物理教材，成为信息技术与物理课程整合的优秀载体.在这样的形势之下，我们必须去研究利用数字化信息系统进行实验教学的策略与方法，创新教学模式，创设有利于学生自主学习的环境，从而提升教育技术与教学成果.

2数字化信息系统简介

数字化信息系统即DIS(Digital Information System的缩写),是由传感器、数据采集器、计算机、实验软件包组成的新型实验技术.

2.1传感器

传感器是一类能把力、温度、光、声等非电学量，按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或电路通断的原件.它主要包括力、位移、声音、压强、温度、电压、电流、微电流、磁感应强度、光照强度、光电门等多种传感器.与传统的实验仪器相比，DIS传感器种类齐全、技术新、精度高、性能可靠.

2.2数据采集器

数据采集器是连接传感器与计算机的桥梁,它的主要功能是将传感器采集到的模拟信号转换为计算机可识别的数字信号.

2.3计算机和实验软件包

DIS实验系统的计算机+实验软件包具有强大的数据处理功能，可对由数据采集中输出的多组数字信号进行实时地收集、计算、分析、呈现.实验软件包的界面友好，操作方便，可实现独立显示、四路并行叠加显示、多种模式显示、放大显示，同时支持实验结果图形分析、图线拟合、各类计算处理.

3数字化信息系统在物理实验教学中的意义

DIS实验系统作为探索物理世界的新工具，成功地克服了传统实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合.应用DIS进行物理实验教学的意义主要体现在以下几个方面：

(1)DIS的成功应用开启了物理实验教学的数字化时代.

(2)DIS实现了对传统物理实验的有效整合与超越.

(3)DIS实验的教育教学功能体现新课程理念.

(4)DIS的使用可缩短我国与先进国家在实验仪器使用上和教育理念上的差距.

4DIS与物理实验整合的案例分析

4.1DIS与演示性实验整合的研究

演示实验教学是指为配合教学内容主要由教师操作，并通过教师启发引导，帮助学生对实验进行观察思考，以达到一定教学目的的实验教学方式.演示实验包括教师用仪器和实物进行的实验演示，教师在课堂上出示模型、实物，教师放映录像、电影、幻灯等教学片及利用信息技术进行演示的实验.它可以在引入课题、获取新知识、巩固知识、应用知识等各个教学环节中起到事半功倍的作用，是实验教学的重要组成部分.

传统的演示实验定位于培养学生的观察能力和思维能力，一般采用教师做、学生看，教师讲、学生听的教学方式，体现了教师的主体性.而且大多数传统实验仪器精度普遍偏低，系统误差较大，再加上实验过程中数据的采集一般都是由实验者通过测量仪器的示数来读取，数据规律的拟合结果往往通过手工描点作图法来获得，不仅耗时长，同时致使主观因素所导致的偶然误差增大.再者，在传统实验中，由于人眼观察和手工记录的断续性，对于在空间尺度上人眼难以观察的细微过程，往往借助显微镜才能实现细致的观察，很难在演示实验环节中操作；对于时间尺度上的细微过程就更加难以捕捉，难以记录，这是长期以来物理实验的一个难点，瞬间变化的可视化更是难点中的难点.DIS引入后，传统实验的这些弊端迎刃而解.下面仅以电容器充放电实验为例，予以说明.

实验目的：了解电容器充放电的过程，了解脉冲上升前沿与下降后沿与哪些因素有关.

实验原理： 电容器充放电的过程中，电容器上的电压不能突变，充电过程中电压为

(1)

放电过程中电压为

(2)

式中U0为充足电荷后电容器上的电压，电容器的充、放电电压均按指数规律变化.

实验方法：在充电过程和放电过程中让微机实时采集电容器上的电压指数，即可以在屏幕上观测到电容器充放电的图像.

实验仪器：计算机,物理数据采集仪，RLC暂态过程的实验板等.

实验步骤：

(1)在RLC上连接好实验设备.

(2)用电压传感器C与接口箱上的模拟输入B通道相连.

(3)按数据采集图标，将开关S处于位置1时，给电容器充电，屏幕上出现充电曲线，如图1绿色曲线.

(4)按保留采集图标，原充电曲线成为保留曲线.它将改变颜色，将开关处于位置2时,屏幕上除保留充电曲线外，又出现放电曲线，如图1红色曲线.

图1　电容器充放电实验图像

结果分析：

(1)电容器的充、放电电压均按指数规律变化.可由式(1)和式(2)求得.

(2)充电时，电容器两极间的电压逐渐增大，稳定时为电源电压，放电时两极间的电压逐渐减小，直到为零，放电结束.

(3)充电和放电开始时，图线的斜率最大，说明电压变化得快.随后斜率越来越小，说明电压变化变慢.

一线教师都知道，电容器的实验在传统实验中很难完成.只能通过一定的图片让学生观摩和想象,或者利用多用表的电阻挡测电容，也是粗略地比较电容器容量的大小和有无漏电.由于电容器的充、放电时间很短，一般电表存在惯性，无法测量电容器充、放电过程的电流.若用“示波”法采集电容器充、放电电流、电压随时间变化的图像，因示波器扫描较快，图像只能在屏幕上闪现一下，不便于观察.现在我们引入DIS实验系统，利用以上实验装置，就克服了传统实验仪器的缺憾，很简单明了地就得出电容器充、放电图像，使学生直观、明显地观察、了解脉冲上升前沿与下降后沿的情况.成功地完成了“电容器充放电”这一实验，而传统实验器材对于图像稍纵即逝的物理实验是无法完成的.

4.2DIS与探究性实验整合的研究

探究性实验教学是现代教学的一种模式，是新一轮课改的亮点、难点和热点， 是使学生通过类似于科学家的探究过程来获取知识、培养科学探究能力的一种教学方法，它具有许多传统实验教学所不具备的特征.由于DIS实验系统能快速呈现物理过程，以及其强大的数据采集、处理功能，大大地节省了教学时间，使得物理课堂实验教学可以进行更多的科学探究活动.

玻意耳-马略特定律是物理学中的一个经典定律.验证玻意耳-马略特定律是热学中的一个重要实验.在传统实验中，仪器设备简陋，只能用一个带有刻度的注射器、钩码、铁架台等粗略地探索，而且是人工读数和手工处理数据，不仅费时，精确度又低.笔者在传统实验的基础上引入DIS实验系统拓展课堂实验教学，改进实验方案，取得了良好的教学效果.

{JP实验目的：了解气体的特性，探究一定质量气体的压强、体积、温度之间的关系.

实验原理：在温度不变时，一定质量气体的压强跟它的体积成反比.

实验仪器：计算机,物理数据采集仪,压强传感器,注射器等.

实验步骤：

(1)压强传感器一端连接接口箱模拟通道A，另一端用硅胶管连接封有一定质量气体的注射器.

(2)输入实验所在地的大气压强100 kPa,和硅胶管的体积20 ml.

(3)连接好计算机与数据采集系统，打开专用软件包，选择气体压强与体积关系的图像界面.

(4) 逐渐改变气体体积,在此每2 ml记录一次数据.

(5)将所获得的数据，用计算机进行处理，得到如图2所示的图像.

图2　验证玻意耳-马略特定律实验图像

结果分析：在误差允许的范围内，一定质量的气体，在温度不变的情况下，气体的压强和体积成反比关系.实验结果精确度高，验证效果显著.与传统实验相比，有误差小、操作方便、图像直观等优点.

深入探究： DIS软件提供的自动描点、绘图等功能节省了大量用于实验数据后期处理的时间，不仅能让师生在有限的时间内把规定的实验做出、做好，还能够腾出时间进行探索研究.教师可继续引申，带领学生探究查理定律.

DIS温度和压强传感器的组合使用，使得气体定律教学中的另一个重点、难点——查理定律实验获得了相当大的改进.利用DIS软件实验数据记录、公式库的调用和自由表达式的输入、计算、图线分析等功能，方便、精确、快捷地验证了查理定律：一定质量的气体，在体积不变的情况下，它的压强跟热力学温度成正比.不仅实验数据相当理想，实验结果令人信服，而且能够基于实验数据进行智能化的描点、绘图，强化了学生对物理现象、物理规律的认识和理解.

科学探究既是一种教学模式，也是一种创造性的活动.它以探究科学规律为出发点，以学生的探究活动为中心，以培养学生的探究能力为目标，从而提高学生的科学素养、实现学生的全面发展.运用数字化信息系统与传统物理实验整合，可以实现课堂实验探究教学.

从以上实验案例可以看出DIS与物理实验整合后，有如下优势：

(1)高效演绎实验过程，凝结瞬息即逝的暂态变化

很多物理实验过程瞬间发生、稍纵即逝，学生对实验现象很难进行细致全面的观察.DIS实验技术能真实地记录物理量的变化过程，并可以进行真实的控制重现，实验过程清楚直观，便于课堂讨论，得出结论.

(2)超越传统仪表的测量范畴，使研究物理量的变化从定性走向定量

由于条件限制，传统实验许多都是定性了解，引入DIS后，弥补了传统实验的不足，上升到定量研究.可极大地提升学生探究问题的层次，即对问题由感性认识上升到理性认识.

(3) 提高实验课的教学效果

计算机强大的数据处理功能可以提高处理实验数据的速度和精确度，使师生从大量繁琐的数据处理工作中解脱出来，有更多的时间去观察实验，发现问题，解决问题.增加了课堂上进行科学探究活动的时间，从而优化了课堂教学，提高了物理课堂教学效果.

5结论

以上研究分析说明，DIS与物理实验教学的整合可以解决传统实验难以解决的问题，完成常规仪器难以完成的实验，难以验证的公式、定律，填补传统实验的空白，并且提高了测量精度和教学效果[3].这正是现代教育技术下的实验教学优越于传统实验的地方.所以，数字化信息技术应用于物理实验教学是一次教学手段的革新，是教育技术的进步.无论理论还是实践都证明了DIS技术应用于教学的作用是不可低估的.随着时间的推移，这一现代教育技术手段的作用将日益显著地显现出来.

参 考 文 献

1中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准.北京：人民教育出版社，2003.64

2南国农.让信息技术有效地推进教学改革.中国电化教育，2007(1)：5～7

3任俊仙. DIS与物理实验教学的整合.中国教育信息化，2010(9)：41～43

4刘晓莹.信息技术与课程整合的研究现状与趋势分析.电化教育研究，2007(4)：69～72

The Integration of DIS and Physics Experiment Teaching

Ren Junxian

(Department of Physics,Taiyuan Normal Institute,Taiyuan,Shanxi030031)

Abstract:Ideas of the article from the modern teaching by the digital information system (DIS) , application of the background analysis, composition and function of education, and demonstration of DIS experiments and physical experiments to explore integration of case analysis. That the digital information system and the physical experiment teaching integration is to overcome the traditional laboratory instruments a variety of defects, optimize the physical experiment teaching process, improve the teaching efficiency and quality. DIS successfully open physics experiment teaching of the digital age, and reflet the new curriculum teaching philosophy.

Key words:DIS; inquiry experiment; demonstration experiment;integrate