整合DIS与自制教具 优化物理实验教学

吴礼晨+查汉华+杨海青

摘 要：本文通过DIS数字信息系统与教师自制教具教学资源的深度整合，以实验探究的教学策略，显性化研究物理现象、定量化建构物理概念、可视化建立物理规律，优化了实验教学，提高物理教学的有效性。

关键词：DIS数字信息系统；自制教具；资源整合；实验改进

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）12-0052-3

《物理课程标准（实验）》中内容标准共分为三大部分，第一位的就是“科学探究及物理实验能力要求”。把物理实验能力要求作为内容标准的一个独立的主题，物理实验在《物理课程标准（实验）》中的地位是显而易见的。物理实验在学习认知、体现科学观念及科学方法论等方面均能发挥重要作用。基于此，《物理课程标准（实验）》大力提倡发挥实验在物理教学中的重要作用。课标建议“尽可能让学生尝试用计算机处理数据，学会用通用软件来简单处理实验数据”，同时“还提倡用身边常见的生活器具来做物理实验”[1]。《基础教育课程改革纲要（试行）》明确要求：积极开发并合理利用校内外各种课程资源，教育部在《关于新形势下进一步做好普通中小学装备工作的意见》明确提出鼓励教师自制教具。基于这些文件的理念指导和强烈建议，结合对物理实际教学存在的问题分析，发挥教师立德树人的热情及创造力，在整合自制教具的课程资源与DIS数字信息系统的现代信息技术，定量化收集实验数据、快捷化处理实验数据，可视化显示物理规律上做了一些尝试。现代信息技术与自制教具资源的有机整合，优化了实验教学手段，开阔了学生的视野，拓展了学生的思维。

1 显性化研究物理现象——超重失重现象

1.1 实验探究的必要性

超重与失重是高中物理中具有典型性与代表性的问题之一。但是，教材及老师的课堂处理，使学生在学习上没有经历情境探究、知识构建的过程。因此，在教学效果上学生对于超重与失重的物理本质内涵存在很多困惑。《物理课程标准（实验）》對此有明确要求：通过实验认识超重与失重。依据超重失重的物理现象的特点，高中学生的认知心理规律及课程标准的理念要求，我们尝试整合DIS系统与自制教具进行实验探究教学。

1.2 实验探究

【实验器材】 DIS系统软件，计算机，无线力传感器，无线加速度传感器，数据采集器及无线接口。自制教具模拟电梯如图1，实验装置如图2。

【实验操作】

（1）按图2所示的实验装置，打开DISLab7.2软件，开启无线加速度、力传感器开关；

（2）点击软件加速度传感器端口按钮，在加速度实时采集栏中选择Z维度并调零。再选择软件力传感器端口按钮并调零。点击计算表格按钮，将采集间隔调整为0.2 s。

（3）在力传感器下挂上2 N砝码，点击自动记录开始按钮，并同时将模拟电梯从最低端静止释放。在模拟电梯完成2～3个周期后，用手停止其运动。

（4）点击绘图按钮，分别作出F-t、a-t图像。（为区别可采取不同颜色标注）

【实验结果】 获得的数据如图3，通过绘图得到图像如图4，其中F-t（图线1）、a-t（图线2）。

【实验结论】 加速度向上，物体处于超重状态。加速度向下，物体处于失重状态。

【注意事项】 实验前“电梯”需要调整装置水平状态，确保“电梯”在竖直平面内做一维运动，尽量减小“电梯”与钢柱间的摩擦。调整弹簧上端悬线长度，挑选自制教具中三个弹簧的劲度系数，尽量模拟真实的电梯运行，提高实验与生活情境的真实接近性。同时，做好运动时的上下缓冲，调节“电梯”振幅，使物理图像可视化较好。DIS系统软件在数据采集时，数据采集时间间隔设置为0.2 s为宜。

2 定量建构物理概念——磁感应强度B的概念

2.1 实验探究的必要性

磁感应强度是电磁学的基本概念，也是核心概念之一，它对于“磁场”及其后续知识的学习，都有着关键性的作用。教材通过与电场强度的类比，以比值定义的方法给出了磁感应强度的概念。事实上，学生在学习认知上还是存在很大的困难，对于寻找如何描述磁场强弱和方向的物理量依然存在很多困惑。所以，有必要通过实验探究的教学方式进行教学，增强教学的说服力，培养学生的问题意识和证据意识，提升实验探究能力[2]。

2.2 实验探究

【实验器材】 DIS系统软件，计算机，力传感器，多抽头自制线圈（图5），间距可调的自制磁体（图6），滑动变阻器，学生电源，电键，数据连接线及导线等。

【实验操作】

（1）按如图7方式组装实验装置，连接导线和数据线，调试DIS配套软件。

（2）闭合开关，采集数据开始，移动滑动变阻器，改变电流I的大小，继续收集数据，断开开关，采集数据结束（图8）。

（3）DIS系统软件以安培力F为纵轴y，电流I为横轴x作图（通电导线的长度取250匝），线性拟合，如图9。

（4）保持0匝鳄鱼夹接线柱、学生电源电压、滑动变阻器滑片位置等不变，将另一鳄鱼夹依次与50匝、100匝、150匝、200匝、250匝、300匝，DIS系统软件逐个收集数据。

（5）DIS系统软件以安培力F为纵轴y，通电导线的长度（匝数）为横轴x作图，线性拟合。最后，引导学生观察分析，建构磁感应强度B的概念。

【实验结果】 获得的实验数据如图8，DIS系统软件作图线性拟合的物理图像如图9（此图8、图9为在2015年安徽省中小学实验说课比赛活动中现场的实验数据和图像）。

【实验结论】 磁场中通电导线受力F与电流I和长度L的乘积IL成正比。

【注意事项】 多抽头自制线圈如图5选用的漆包线直径不宜过大，抽头处电焊焊接不能是虚焊，绕制完成后要用棉线将线圈扎牢固，防止通电时导线排斥，影响平衡。线圈受力的一边实验前要调制平直，实验时放置在间距可调磁体如图6的平口处与磁体平行。DIS系统软件采集数据时的采集频率设置成20 Hz，不宜过高。

在可视化建立物理规律上，譬如自制实验教具资源与DIS中光电门的整合，可视化建立机械能守恒定律；自制多匝线圈资源与DIS微电流传感器的整合，可视化建立法拉第电磁感应定律等也可以有一些富有创意和效果优秀的教学尝试。

3 实验评价及教学主张

DIS数字信息系统使实验数据收集快捷化，图像绘制拟合使物理规律显性化、直观化，有利于建构物理观念和培养提高实验探究能力。实验模拟生活中电梯这一工具，使物理教学更加亲切；自制多匝抽头的线圈使叠加原理和微小量放大的实验思想更易于理解，有利于培养物理科学思维。DIS数字信息系统的实际课堂使用，尤其是最先进的器材——无线传感器和最新版本的配套软件，使物理教学更具时代性；实验资源的自创，体现出教学的创造性，有利于培养学生的新时代创新精神和实验探究能力，培养时代意识与责任。因此，DIS数字信息系统与自制实验教具深度整合做定量实验，用多种方式收集数据，优化实验教学效果，有利于培养、提高学生的物理学科核心素养。

研究新课程理念，深入体会物理学科核心素养四个维度的深刻内涵，研究物理学科的特征与学生的心理认知规律，并以此为指导。在日常物理教学中开发更多更有效的实验教学资源，引进更具时代性的教学技术手段和多媒体技术，通过多元整合，优化物理实验教学，为提高物理教学效果和提升学生的物理学科核心素养而上下求索。

参考文献：

[1]物理课程标准研制组.普通高中物理课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2003：157—160.

[2]杨海青，杨皓.基于实验探究-研讨模式建构磁感应强度概念[J].物理教学探讨，2016，34（8）：78—79.

（栏目编辑 王柏庐）