DIS系统在物理实验教学中的应用

王 璐，彭红梅，隋景忠，牧 仁

（1.内蒙古民族大学 数理学院，内蒙古 通辽028043；2.内蒙古通辽市奈曼旗第一中学，内蒙古 奈曼028300）

0 引言

物理学科以实验为基础，通过实验手段探究各种物理问题、现象及规律，是该学科的鲜明特点.物理实验能加强学生对课程内容的记忆，加深对基础知识的理解，提升学生学习兴趣，更能培养学生的实验观察能力、科学探究能力以及物理思维.但是传统物理实验教学往往因为设备不足，仪器不精密，操作费时而降低了课堂效率，限制了实验教学的延伸发展.借助现代化数字技术设备突破实验教学中不可测和不可看的一些实验，是今后中学物理课堂教学中的探究方向.

2001年，我国就开始在经济发达的部分地区，引入并实施数字化实验，进行课堂实践研究，并取得较好的结果.其中，数字化信息系统（DIS，Digital Information System），在众多现代化教学技术中表现优异，深受中学物理教师与学生的认可.而DIS实验也由于一些局限性被许多人讨论，如其不能像传统实验进行整个过程的实验操作，对学生的动手能力、实际问题分析能力等等有所不利.本文将借助实际案例，对DIS实验与传统实验进行综合对比分析，并从中总结DIS作为现代化技术存在的优势，对传统实验与DIS实验的融合提出建议.

1 DIS实验教学案例

物理实验是一个包含操作、观察、探讨、分析、归纳的过程.在这个过程中引导学生从纷繁冗杂的物质世界中总结出规律，并鼓励学生透过现象探究掌握和完善总结出规律的方法，是中学物理教学的基本任务.因此，如何使同学们直观地认识到物理现象并总结物理规律至关重要，而DIS实验恰好可以帮助学生直观地观察到物理现象.本文将通过下面两个案例具体介绍分析DIS实验在中学物理中的部分应用.

1.1 探究作用力与反作用力的关系

经典力学以牛顿三大定律为核心.而作用力与反作用力的关系，是牛顿第三定律所总结的规律，该定律不仅仅揭示了两物体相互作用的规律，也为研究并解决各种复杂问题提供了理论基础，拓展了牛顿第二定律的适用范围，让复杂的动力学问题得以简单化.因此在中学物理中掌握牛顿第三定律具有重要意义［1］.

图1人教版必修1中探究作用力与反作用力关系实验图Fig.1 The experimental diagram of the relationship between the force and the reaction force in the compulsory 1 of the People’s Education Edition

传统的教学过程中，牛顿第三定律的探究离不开必需的实验工具弹簧测力计，如图1所示，将两测力计挂钩对接，分组将弹簧测力计固定一个和都不固定进行实验.让同学们猜想：（1）将其中一个弹簧测力计固定，测力计对拉时，两测力计的示数有什么关系？（2）两测力计不固定对拉，观察匀速运动和变速运动时示数有什么关系？学生带着上述问题以小组为单位进行实验探究，得出A、B两测力计示数在4种情况下都相同，并在此基础上得出实验结论，完成表1.

表1实验数据表Tab.1 Experimental data diagram

在实验中学生会发现，由于各种人为原因（如手的抖动、读数误差等）给结果带来不可避免的实验误差，特别是当弹簧测力计运动起来时，读数比较困难，误差也较大，这样使得实验效果受到影响，学生对实验的可信度下降.

倘若借助如图2所示的力传感，数据采集，分析装置设备，学生们可以通过设备显示器直接读出数值大小，数据通过采集器，传输至电脑端的数字化实验软件中，可生成两传感器的直观的数值图像，如图3所示，图像的横坐标、纵坐标分别表示为实验过程的时间（t）和传感器上的力（F），正半轴部分图像为A传感器图像，负半轴图像为B传感器图像.图像中如a段，图像向上倾斜表示此时作用在测力计上的拉力在增强（两传感器间距离增大）；如b段，图像为倾斜向下表示作用在测力计上的拉力在减小（两传感器间距离减小）；如c段，图像与t轴平行的线段表示此时作用在测力计上的拉力为恒力（两传感器静止）；如d段，为两传感器匀速运动图像；如e段，为两传感器变速运动图像.

图2 DIS实验装置实物图Fig.2 Physical diagram of DIS experimental device

图3实验数据图像Fig.3 Image of experimental data

根据以上由力传感器得到的图像学生很容易发现：两测力计的受力图像为对称图形，其中A传感器与B传感器的受力图像，无论固定哪个传感器或两传感器均静止、匀速、变速运动，传感器数值大小实时相同（如a=a′，b=b′等）.在此基础上得出结论：作用力与反作用力在相同作用时刻大小始终相等、方向相反，并且在作用时间内同步变化.继续引导学生观察总结，从而引出牛顿第三定律的内容，完成实验辅助教学.

1.2 气体的等温变化

气体的等温变化是新课标普通高中物理教材选修3-3第八章第一节的内容，气体的等温变化是第八章“气体”内容的重点知识，由等温变化曲线可以准确地得出玻意耳定律：恒温情况下，质量一定的某种气体，压强P与体积V成反比.该定律的学习为后面查理定律和盖吕萨克定律的掌握作铺垫，是物理学热学板块的重要内容［2-4］.

图4人教版选修3-3中的探究气体等温变化的规律Fig.4 Exploring the law of gas isothermal changes in Elective 3-3 of the People’s Education Edition

传统实验教学中，常采用如图4中（A）图的实验装置进行实验，实验装置由压力表与注射器组成，注射器中的空气柱是研究对象，试验过程中它的质量不会变化；从仪表可以得到气体压强大小P，注射器外侧刻度可以获得气柱长度L，注射器的截面S与L的乘积就是实验中不同压力下的气体体积V.

改变活塞位置，获取体积和压强的几组数据，再将数据进行分析计算、处理作图，在坐标图上描绘出P与的关系图像.可以得出如图4中（B）图像：一条过原点的倾斜直线，即说明P与成正比，得出玻意耳定律.

在DIS实验中，依然可以利用注射器，但将上述压力表改为压强传感器与数据采集器和计算机结合进行实验，实验器材与连接如图5所示，注射器的端口与压强传感器的输入端紧密连接，再将压强传感器与数据采集器相连接，数据采集器与计算机相连接.

图5气体等温变化规律的DIS实验探究装置Fig.5 DIS experimental exploration device of gas isothermal change law

完成上述连接后，学生小组合作进行实验，研究对象同样为注射器内的气体.由注射器上的刻度读出气体的体积V，手动输入到实验系统的表格中.气体的压强通过与注射器相连接的压强传感器测得，测得的压强P在系统中实时显示，用鼠标单击记录按钮，由计算机自动记录，这样可以获得不同体积时气体压强的数值.最终得到表2中所示P与V的数据.

表2气体等温变化实验数据表Tab.2 Experimental data table of gas isothermal change

在软件的操作界面点击“计算”，得到体积的倒数与压强—体积的乘积两组数据，从数据表2中可以明显看出各个结果的体积—压强的乘积非常接近，接近一个常数.点击“P-V图像”，在坐标图中生成数据点，经过“曲线拟合”获取拟合图线；再点击“图像”，与上述执行相同操作，获得数据点的拟合图线，如图6（A）所示，图像为一次函数正比曲线.图像中存在不在直线上的点，是因为活塞中的摩擦，以及读数时的估算产生的误差.图像证实了两个物理量的线性关系.而为了更直观地看出压强P与气体体积V的关系，通常采用P-V图像，如图6（B）所示，图像描述的是等温情况下的P-V关系，因此也称为气体等温过程变化曲线，简称等温线.

引导学生分析：

（1）直线不过原点是系统或偶然误差中哪个引起的？

（2）如何减小误差：实验时推动活塞要缓慢；手不要去握注射器；活塞涂上润滑油；体积读数时视线要平视刻度.

图6气体等温变化实验图像Fig.6 Experimental image of gas isothermal change

教师引导得出结论：等温时，质量一定的气体压强与体积成反比关系.即玻意耳定律.完成DIS实验辅助教学.

2 DIS实验的优越性

通过上述两个案例，并参考许多文献，总结出DIS实验具有如下优势：

（1）实验过程动态化

传统力学实验中，一般使用弹簧测力计进行力的测量.弹簧测力计价格低、应用非常广泛，但其缺点也显而易见：仅适于静态而不适于动态测量；能测拉力而不能测量压力；此外，弹簧测力计本身的精度、读数容易形成偏差也限制了其实验效果［5-7］.而DIS实验系统可以随时的对实验的信息进行采集，在对物理动态进行分析的时候有着不言而喻的优势.

（2）实验结果的精确性

DIS实验运用的各类传感器可实时采集准确的多种物理量数据，既继承了传统实验仪器采集数据的能力，又突破了传统设备在数据处理上的局限，简言之，DIS实验能准确获取的物理实验数据并快速处理，包括计算和作图，这就使物理学规律的发现或验证更有严谨性和可信性.

（3）物理规律直观化

对许多不直观物理现象，规律往往不易被发现.如使用测力计进行最大静摩擦力实验，失重演示实验等，在动态实验过程中，往往难以观测到那些瞬变值.而数字化实验设备能够随时获取所测物理量的大小方向等内容，由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压强、图像等），计算机或数字仪表要能够处理这些物理量信号，必须先将这些物理信号转变为数字信号，继而将数字信号转换为直观的图表，便于学生接受理解以及记忆.物理规律生成的图表信息可将规律具体化，帮助学生理解［8-9］.

（4）实验具有省时性

传统实验教学中，课堂上师生需要花费大量的时间，来进行数据的分析与处理和图表的制作，容易产生误差，影响学生对概念的认识.而DIS实验，只需要通过传感器，与数据采集器将数据导入数字化实验软件中进行处理分析，节省了大量的课堂时间.

3 物理实验教学中使用DIS的体会

大家都知道凡事都具有双面性，DIS在物理实验教学中的确存在以上明显的优势，但相对的也存在部分的局限性，如忽视了物理实验的本质，不利于发展中学生的动手能力.对此，具体做法如下：

（1）DIS实验可以借助人机交互，通过非常简单的操作，展现实验现象，让学生们轻而易举的获得了实验的结果，却忽略了实验的操作本质，不利于学生对知识点的把握，并且不利于发展学生观察能力与动手能力.

针对上述问题，笔者的做法是DIS实验为辅，实际操作为主的演示实验方式，进行物理实验教学，在必要的时候如数据分析、计算、作图等方面，借助DIS进行快速直观的展现，充分节约课堂时间，突出其优越性所在，在此过程中，学生的注意力也将大部分集中在实际的实验演示上，学生的主观能动性得以提高，从而提高对物理实验的学习兴趣.

（2）DIS实验在节约课堂时间的同时，却容易被教师误用.教师容易快速地结束实验讲授，而加强趣味性不强的理论讲授，从而导致学生对物理课程的不喜爱.

对此，笔者给出的做法是：DIS作为教学工具，虽然存在很多的优势，但却需要施教者，加以合理的运用.教师在教学中要适当运用DIS，而不应为了体现课堂丰富的现代化设备，而进行不必要的数字化教学，应精心挑选那些通过数字化信息系统能够使教学效果最佳的内容，进行精心的设计，才能发挥DIS实验教学的优势［10］.而盲目过多地使用DIS，反而会影响课堂教学的效果，产生如上所述的负面效应.如在自由落体运动的教学中，利用纸团与纸片引入，通过牛顿管演示真空中的自由落体，非常真实、直观，现象明显，学生在观察后也能有深刻的印象和理解.

4 结语

科技的进步必然引起社会全方位的变化，在教育教学方面也是如此.作为新时代的人民教师，更应该紧跟时代的脚步，关注信息技术与教育技术、设备的前沿发展，掌握教育、教学技术前沿信息，进一步提升自己的综合素质与能力.为此，本文通过简单的案例，分析了现代化DIS实验与传统实验的差异，总结出DIS在实验教学中的优越性所在，对其存在的局限性也进行了简要的分析并给出了合理化的建议.随着数字化实验教学的日益发展完善与教师能力的不断提高，DIS实验教学在中学物理教学中将发挥出更大的作用，同时也希望本文能够给众多物理教师，在使用DIS实验教学时，带来新的体验.