应用DIS实验优化高中物理的实验教学

李焕新

摘 要：随着现代技术与高中物理实验教学的不断融合，DIS实验走进了高中物理课堂。DIS实验有别于传统实验，作为高中物理教师也要与时俱进，不断的调整教学方法和教学方式，优化高中物理实验教学，使高中物理更高效，更富有吸引力，能吸引更多的学生选修物理。

关键词：DIS实验；传统实验；新课程；教育信息化；核心素养 高中物理

面对日趋激烈的国际竞争，2017年教育部制定的《普通高中物理课程标准》提出了“立德树人，培养学生物理学科核心素养，满足学生终身发展的需求，关注科技进步和社会发展需求，提倡教学方式多样化”。新课程标准加强课程内容与生活中物理以及现代社会和科技发展的联系，关注物理学的技术应用所带来的各种问题，引导学生积极参与、乐于探究、善于实验，倡导教师通过多样化的教学方式[ 1 ]，利用现代信息技术增强科学探究能力和解决问题的能力。

DIS实验通常指在实验过程中利用传感器获取实验数据、通过数据采集器采集实验数据，利用电脑记录并处理实验数据，得到实验结果[ 2 ] 。DIS实验是教育信息化不可缺少的组成部分，利用DIS实验可使很多实验的测量精度大大提升，使物理实验教学更高效，可以优化高中物理的实验教学。

1 为什么要推广DIS实验

1.1 是教育信息化的需要

教育信息化是指在各级教育行政部门的规划、指导和组织下，在教育系统的各个领域全面深入地应用信息技术，实现教育信息化、现代化的过程[ 3 ]。它将使我国的教育更高效、更符合时代要求。在中小学教学中教育信息化体现在教学过程、教学管理、教学反馈、教学评价等方面深入地应用现代信息技术。DIS实验在高中物理课堂的普及，是高中物理课堂教学的重大变革，对传统的教学理念、方式、内容和方法产生巨大的影响[ 4 ]。DIS实验正潜移默化地转变人们的教育思想和教育观念，提高教学质量和效率。

1.2 有利于培养物理学科核心素养

实验在高中物理教学中占十分重要的地位。高中生在学习物理的过程中，需要面对大量的物理实验。物理实验对学生物理学科素养的形成起到至关重要的作用，从物理观念的形成到科学思维的培养再到科学探究的意识以及科学态度与责任的具备，每一个环节都与观察实验息息相关。同时，从浙江和上海的高考选考情况反映出学生在学习高中物理时面临的困难。因此，作为高中物理教师要有正确的教学方法的引导，才能尽量避免物理在学生心中的尴尬地位。如果高中物理教师能重视实验教学的应用，应用DIS实验培养学生的创新能力和训练科学的思维方法，将会助力于我国教育目前推崇“核心素养教育”。DIS实验不仅仅是手、脑并用的实踐活动，同时由于它与现代科技的发展更加紧密更加能激发学生的探究热情，更有利于培养学生的创新能力。在实验过程中，通过查阅相关传感器实验资料、理解实验仪器工作原理、创新实验方法、观察实验现象、排除实验故障、通过软件得到实验数据并分析实验数据等活动，使学生的自主学习能力、科学思维能力、物理学科与信息技术的整合能力、观察能力、分析论证能力以及语言表达能力都能得到锻炼。

1.3 使物理实验教学更高效

传统物理实验十分重视仪器仪表方面的要求。首先要学会选择合适量程的仪器仪表，其次要弄清仪器仪表的精确度是否符合实验要求，再次要明确实验对仪器仪表的读数方法，最后还要懂得数据记录与处理。每个环节都会给学生造成困扰。应用DIS实验对学生要求转为要了解各种传感器的使用方法，会选择合适的传感器进行数据的采集，会应用电脑软件等等。而对于读数、精确度、数据处理等都将由传感器、数据采集器和电脑来完成。比如在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的这个实验中，利用传统的电流表和电压表测量电流和电压，先要学会选择合适量程的电流表和电压表，其次还要注意电流表和电压表的读数方法，最后还要用描点法在坐标纸上描点，再用平滑曲线连接。而DIS实验则不用这么麻烦，只要利用电流和电压传感器，通过数据采集器直接在电脑软件中显示电流和电压的数值并做出图象。总之，DIS实验会大大提高物理实验效率。

1.4 更能激发学生学习物理的兴趣

实验教学一直以来被物理教师视为激发学习兴趣最有效方法。传统实验由于仪器相对简单、老旧，学生对于实验的热情很难提高，对于学习几百年前的物理知识部分学生总提不起兴致，这对于培养学生学习物理的兴趣效果不明显。DIS实验相对来说看起来更加的“高大上”，更贴近时代，更有新鲜感，更有吸引力，更能激发学生学习物理的动力。在教学中如果我们能善于观察学生的表现并因势利导，将学生的好奇心、对实验探究的兴趣逐渐转化为探求科学知识的动力，也会使物理在学生心目中的地位得到提升。

2 如何更有效的应用DIS实验

2.1 遇到难以观测的实验

在高中物理教学中经常会遇到一些难以观测的实验或实验现象不能清楚呈现的。特别是有些用时比较短暂的实验。比如选修3-1中“观测电容器的充放电”实验，虽然利用传统的电流表能观察到电流表的指针发生偏转和电流方向，但是想进一步观察电流大小的变化情况就无法做到了。利用电流传感器通过电脑就可以清楚把电流随时间变化规律呈现出来了。又如“验证动量守恒实验”，传统实验在速度的测量上通过遮光条遮住光电门的时间来计算速度，误差是比较大的。应用速度传感器可以更直观把速度显示出来，也可以通过电脑快速算出碰撞前的动量和碰撞后动量。

2.2 遇到难以控制的实验

除了遇到难以测量的实验，在教学中也会经常遇到难以控制的实验。比如必修1中“测量最大静摩擦力”这个实验。传统实验经常是利用装有细沙的小桶通过细绳绕过定滑轮拉动小滑块，在小滑块刚要滑动的瞬间所对应的沙和桶的重力作为小滑块的最大静摩擦力。首先本实验中刚要滑动的瞬间，看起来简单但实际操作时往往难以控制，如果处理不好还会出现细沙洒落的情况。同时，由于细绳与滑轮等存在的摩擦都会对于最终的测量造成较大的误差。这个实验利用力传感器再通过电脑整个问题就容易多了。

2.3 对于数据处理要求高的

由于课堂教学时间的限制，很多的实验我们在测量时只能粗略计算，甚至有些实验只能定性分析，无法做到定量计算，更谈不上精确测量了。例如，通过控制变量法“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”时。传统的向心力演示器虽然有其独特的优势，但無法精确测量角速度和向心力，更谈不上二者之间的定量关系。现在教学中新的向心力DIS实验演示器通过蓝牙与电脑连接，可以显示向心力随角速度变化的实时数据，借助于电脑软件对数据进行处理，分别做出向心力与角速度一次方的图象和向心力与角速度二次方的图象，可以精确得到两个物理量之间的关系。这些在传统的实验上是实现不了的。

2.4 对测量精度要求较高的

任何实验都有误差。实验误差可分为两类：系统误差和偶然误差。传统的实验大多需要人工读取和记录实验数据，因此偶然误差占实验总误差的很大比例。DIS实验可以自动采集实验数据，同时可以通过图象进行数据拟合（通过软件可以实现一次拟合、二次拟合等），从而基本上最小化了偶然误差。比如在做“平抛运动”实验时，利用二维空间描迹仪，把平抛运动的轨迹通过传感器进行空间定位并传输到电脑中并进行描点，并对所描点进行拟合，大大减小了实验误差。

3 应用DIS实验时几点个人看法

3.1 在使用DIS实验时，不能抛弃传统实验

在应用DIS实验优化高中物理实验时，如果每节课都采用DIS实验把传统的一些实验都抛弃了，这显然不利于高中物理教学。好多传统的物理实验，设计非常巧妙，实验现象非常清楚，方法非常简单明了，获得的实验现象和实验数据也更富有真实感，学生更容易接受，也很喜欢，没必要都抛弃不用。

3.2 在使用DIS实验时，要向学生简要地介绍仪器的工作原理

好多DIS实验仪器制作很精美，但是由于学生是第一次接触这种仪器，搞不清楚仪器的工作原理。这时作为老师就不能想当然地认为这个仪器很简单，一拿起来就直接开始操作。实际上即便是老师，如果他以前没用过这个仪器，第一次看到也是一头雾水。正因为这样，在实验之前应对仪器的工作过程加以介绍，让学生弄清实验是如何进行的，数据是怎么来的。

3.3 在使用DIS实验时，要引导学生学会设计实验方案

对一些可自行组装和改进的分离式传感器，可引导学生面对实际情况，提出并准确表达可探索的物理问题，从不同角度作出科学假设，制定科学的探究方案。比如电路部分实验中很多DIS实验采用磁吸式模块化的实验系统，可以让学生快速灵活地选择合适的实验器材设备，实现自己的一些想法，有了一定的创新，而且通过采集器来获取数据，并用电脑软件显示并处理数据。通过DIS实验可以帮助学生找出规律并快速得出合理的结论。

总之，DIS实验有利于国家教育信息化的开展，有利于现代技术与高中物理的深度融合。合理使用，DIS实验将会比传统物理实验更有效率，更能激发学生学习物理的热情，更有利于物理学科核心素养的培养。建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室，引进教师演示用的数字实验系统，重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化。

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（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.1

[2]禚彦. DIS实验在高中物理教学中的应用[J]. 中国教育技术装备， 2011（1）：197-198.

[3]景莉. 信息环境下绩效支持的农村教师区域专业发展模式研究[D]. 北京：首都师范大学， 2008.

[4]李述武. 聚焦开放大学背景下的电大信息化建设[J]. 湖北广播电视大学学报， 2013， 33（11）：5-7.