数字化实验（DIS）在初中力学实验教学中的设计与思考

王婷婷

【内容摘要】数字化实验已经悄然走进初中各科教学中，它有利于打造信息技术与物理教学整合的新型教学模式，它所提供的大数据更有效地展示现象、揭示规律，能高效提升学生的实验与科学思维能力。从2015年开始，我们在初中物理力学实验教学中首先引入数字化实验，并对一些好的、典型的设计进行了总结与反思。

【关键词】数字化实验  初中物理  力学  设计  思考

数字化实验已经悄然走进初中各科教学中，它有利于打造信息技术与物理教学整合的新型教学模式，它所提供的大数据更有效地展示现象、揭示规律，能高效提升学生的实验与科学思维能力。数字化实验（DIS）进入初中物理课堂令师生在有限之时间内得到并处理海量数据成为可能，从2015年开始，我们在初中物理力学实验教学中首先引入数字化实验，并对一些好的、典型的设计进行了总结与反思。

一、数字化实验（DIS）设备概述

1.传感器：这是数字化实验系统的关键元件，它将我们研究的物理量转化成电信号，再将电信号转移到数据采集器及计算机平台。初中力学教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、光传感器、声传感器等。

2.数据采集器：是传感器与计算机之间的转换器。

3.配套实验仪器：进行物理实验探究的仪器，如导轨、小车、灯泡等。

4.计算机及软件：处理实验数据并将物理规律以数学方式图表和图象展示在显示屏上。

传统实验由于课堂时间和处理速度限制，往往不够快速，数据也不够全面，得出的规律具有一定局限性。而数字化实验打破了这种局限，使得数据的处理更加直观、更加科学、更加规范。

二、数字化（DIS）力学实验举例

1.探究重力大小与质量的关系

重力与其质量的关系是初中物理力学中常用关系，如何引导学生实验并分析、处理数据，从而对这一关系深刻理解？

我们在实验中首先将力传感器接入数据采集器，用转接器将传感器固定在铁架台上，使其测钩竖直向下，对传感器调零;再用天平称出各钩码的质量;依次增加钩码数量，记录一组数据;点击“公式”，输入自定义公式“K=F1/m”，得到计算结果基本为一常数;点击“绘图”，设定x轴为“m”，y轴为“F1”。数据点的排列呈现明显的线性特征。点击“线性拟合”，得到一条过原点的拟合图线。

从图像上可以直观得出结论：重力的大小与质量成正比，还可以通过各地学生做实验得到不同的图象来引导学生分析比值在不同地点是不同的。

2.探究相互作用力的规律。

如何让学生生成相互作用力的特点并形成深刻的印象？利用数字化实验可以很好地解决这一问题。

实验过程：将两只力传感器接入数据采集器;启动“组合图线”功能;两手各持一只力傳感器，让两传感器的测钩互相钩住，两手用力拉或压，得两条“力-时间”组合显示图线。观察发现两条图线基本重合，表示两力大小相等;选中其中一条图线，点击“设置”，设为“镜像显示”，对两个力的方向加以区别;实验中可以故意让两传感器手柄不平行，让学生观察得到的图象，发现其不同并分析其原因;在实验中，我们还取下测钩，设法在锁紧螺栓上固定上强力磁铁，重复实验，观察磁力是否符合同样规律;通过实验证明了相互作用力的大小、方向等关系。

3.研究匀速直线运动的规律

匀速直线运动规律是运动规律的基础，通过学生间的相互配合、分工协作和对实验现象的分析处理，可以培养团结互助的合作精神和实事求是的科学态度，并且教学过程中重视物理图像的教学，可以进一步训练他们运用、分析物理图线的技能。我们需要的器材：小车、轨道、发射器、接收器、数据采集器等。

实验过程：将传感器接收器接入数据采集器，并固定在力学轨道的一端，将小车与发射器固定，调节轨道在合适的高度，使得小车能够做近似匀速直线运动，并调整好接收器和发射器的位置，让小车从较高一端滑下，从显示器中得出“s-t”图像，从图像中我们可以看出小车是否做匀速直线运动，如果出现曲线则表明小车未做匀速直线运动，再来调整轨道的高度，最终得出有效区域是s-t图像与拟合图像重合，即表明小车在做匀速直线运动的路程与时间成正比函数变化。从图像中也可以计算出小车运动的速度。

三、数字化（DIS）实验实践中的思考

1.要树立DIS实验新观念，深刻理解信息技术渗透物理教学的内涵

在初中物理教学中，实验是基本教学方法，所有物理规律都建立在相应的实验基础上。在物理教学中通过DIS新技术运用，可以增加发现儿童的机会，激发学生学习兴趣，实现个性化学习、泛在学习。通过数字化技术辅助实现初中物理实验，直观鲜明呈现实验现象，及时反馈实验数据，适时、多次、多样化地深度研究实验数据，规避了物理实验数据获取过程中的低效、很多实验只能定性分析、结论片面甚至失真等长期存在的问题，学生更侧重发现问题、解决问题、分析问题，强化敏锐数据意识、科学思维品质等方面的训练。从而全面提升学生科学思维，培养未来的数据分析师，培养有创新精神的人才。

例如在《重力与质量的关系》一课探究中，同学们从测量出的数据上、图象上、对比中更快速地领会到了二者之间的规律，信息技术渗透物理课堂带来的好处不言而喻，这就是大数据分析给物理高效课堂带来的高度可能性。

2.要提高物理教师实验教学能力，更好地适应现代化物理教学

传统物理实验归纳普遍性规律时，仅用3组以上的数据，让学生耗费宝贵的探究时间去描点、分析，勉强得出“普遍规律”，实质上局部的规律;数字化实验（简称DIS）是以计算机为平台，利用软件分析处理，以坐标图、数据表等多种形式实时显示在屏幕上，具有可视性、直观性、拓展性等特点。

在DIS实验中，传感器传递信号，得到的图像显示出来，看上去很简单。但是要求教师要设计好实验、适当引领学生认识、挖掘图象的含义，同时提高了教师的物理实验教学能力。

《摩擦力》数字化实验教学前，我们多次在不同粗糙程度的接触面上做实验并比较，确定接触面材料采用报纸和毛玻璃。实验班级上过后，教师们的惊奇和赞叹表露无疑，各班都用此装置上了一下，效果非常好，不仅完成了教学任务，还激发了学习探究实验的兴趣，同时也提高了实验教学的效率。

3.要实现物理实验探究常态化，注重科学方法教育和科学思维培养

初中学生的逻辑思维、抽象思维、创新思维等都在发展关键期，初中物理与数学方法结合是发展学生思维的重要平台，利用几组数据，靠学生手绘寻找规律的过程不仅耗费时间，还降低了学生的学习效率，也与时代的发展不相适应。大数据视角下，采用数字化物理实验有利于培养学生在物理实验中挖掘数据、高效利用数据的意识，并且激活初中学生科学思维发展。新课程理念之一是“注重科学探究，提倡学习方式多样化”。从《相互作用力》一节教学的分析可以看到，物理概念的建立，物理规律的生成过程通过实验演示的效果是多么显著，可以说“印象深刻、事半功倍”。例如相互作用力的规律一下是以人们的直观感觉为基础建立起来的，而传感器的应用则让学生有了更直观、更明确、更真实的认识方式，身临其境、无须多加解释。学生会逐渐养成在实验探究中从“现象——实验——数据”的科学探究习惯。

4.要推动教师脚踏实地研究DIS实验，不断寻求更优化的实验设计

传感器引入物理教学，更利于教师主导地位的体现。比如在传统实验中可规避的一些与知识不符合的数据，在数字化实验中都可能出现的处理方法;再如由于传感器的应用而导致传统测量工具的使用教学问题等。

我们首先要进行研讨，再学习新仪器、新手段的应用。使用新的实验方案不是对原有实验方案的全盘否定，而是促进实验效果进一步提升。

数字化实验方案设计要能够更好地培养学生的合作意识和创造能力，实验的设计要能够使学生易于接受，利用数字化实验的优势更好地推动学生学习。我们应该注重引导，循序渐进，适时、精准地进行讲解、说明。

从上述的实践与思考中，我们可以看到：大数据时代的需要和学生素质发展的需要促使我们要及早研究并使用数字化实验，这样才能在课堂有限的时间和时间里实现最大化的教学效果。这需要我们不断地学习、研讨、实践、总结、提高，才能一步一步达到打造信息技术与物理教学整合的新型教学模式，利用数字化实验所提供的大數据更有效地展示现象、揭示规律，高效提升学生的实验与科学思维能力的目标。

【参考资料】

[1] 郅庭瑾. 教会学生思维[M]. 教育科学出版社，2001.

[2] 张植卿. 大数据对教育领域产生的革命性影响[J]. 经济研究导刊，2014（05）.

[3] 易鑫. 教育如何玩转大数据[J]. 中国教育报，2014（03）.