指向科学探究素养的DIS实验教学

罗思玮??赵祥永??杨晓冰??刘莹亮??钱艳婷

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》要求促进学生物理学科核心素养的养成与发展，其中“科学探究”是重要内容之一，实验教学是达成该素养目标的重要手段。信息技术与物理实验深度融合的背景下，教师利用数字化实验工具，引导学生运用物理知识与实验技能创造性地分析并解决问题，提高思维能力和信息技术素养，有利于发展学生的科学探究素养。数字化信息系统（DIS）已经广泛用于中学物理实验教学。DIS实验具有便捷性、直观性等优势，已成为中学教学的主要实验手段^[1]。DIS测量物理量适用面很广，并非局限于传统实验。动摩擦因数的测定是重要的知识点之一，教师讲授时应关注学生对物理知识的综合运用，培养学生的实验探究与创新思维能力。下面，以基于牛顿第二定律测定动摩擦因数为例介绍DIS实验教学方法。

一、创设情境，提出问题，逆向求解

（一）创设情境

教师：在利用牛顿第二定律分析与解决问题时，如果情境中两个物体的接触面存在一定的动摩擦因数，动摩擦因数通常作为已知条件给出，那么如何测定动摩擦因数呢？

学生：动摩擦因数是彼此接触的物体做相对运动时动摩擦力和正压力之间的比值。如知物体所受动摩擦力与正压力的大小就能计算得出动摩擦因数，对于动摩擦力，可以通过弹簧测力计在粗糙水平平面上匀速拉动物体的方式来测量。

设计意图：教师带领学生回顾动摩擦因数相关知识，创设新的问题情境;用疑问引发学生的好奇心，让学生主动思考，提高科学探究素养。

（二）提出疑难

教师：利用弹簧测力计在粗糙水平平面上匀速拉动物体测量动摩擦力，这是传统的实验方法，它的缺点是难以保证物体匀速运动导致实验误差较大。如何更好地测定动摩擦因数呢？能否通过逆向思维，利用牛顿第二定律测定动摩擦因数？

学生积极思考并讨论，灵活运用知识分析各物理量之间的联系，提出解决方案。实验方案如下：让某物体在粗糙水平平面上做匀加速直线运动，对该物体进行受力分析，根据牛顿第二定律可得F_其他-F_f=ma，且F_f=μF_N，从而得到一个含有动摩擦因数μ的式子。学生认为按照这一方法，只要知道物体所受的支持力与其他外力，并测得质量，就可以将问题从动摩擦因数的测定转化为加速度的测量。

设计意图：教师引导学生转换思维，改变从正面入手求解的思维定式，拓宽实验思路，提升解决问题的能力。学生参与测定动摩擦因数的探究实验活动，运用牛顿第二定律处理问题，进一步领悟从动力学的角度分析问题的方法，实现对物理知识的“内化”。

二、借助DIS改进传统实验，分析现象，提升素养

（一）回顾传统实验

教师：利用牛顿第二定律测定动摩擦因数，需要测量加速度这一物理量。如何运用此前所学的知识与技能，测量物体的加速度呢？

学生：需要使用打点计时器、纸带、刻度尺等工具。具体做法是：使物体在外力作用下在某一粗糙平面上做匀加速直线运动，通过打点计时器得到相应的纸带，测量纸带上各计数点间的距离，用“逐差法”计算物体的加速度。

教师：大家在用传统方式测量加速度的过程中，遇到哪些问题或困难？

学生：耗费时间长且纸带上的点容易产生偏差，如打出小横线、重复点或点迹不清晰。

设计意图：教师引导学生回顾传统实验，分析传统实验的弊病，让学生大胆发表观点和见解，萌生改进实验的想法，探究新思维、新方法。

（二）导入数字化实验

教师：如果使用传统方式测量加速度，我们不仅需要花费大量时间来人工分析处理实验数据，而且容易出现数据采集不精准、实验现象不明显等问题，导致实验进程缓慢且精度不高。如果用DIS实验进行探究，那么在DIS实验中可以通过什么方法测量物体的加速度呢？

学生：可以借助光电门传感器进行测量。我们可以选取物体匀加速直线运动过程中的两点，利用光电门传感器结合DIS通用软件测算速度v₁、v₂与时间间隔Δt，再计算加速度a=     。

教师：非常好。还有其他方法吗？

学生：可以利用位移传感器。我们可以在DIS通用软件辅助下，通过位移传感器获得物体做匀加速直线运动时的s-t（位移—时间）图像，经过图线拟合、求导等处理后可获得v-t（速度—时间）图像及其线性方程，其斜率即为加速度。

设计意图：教师引导学生认识到DIS实验可有效克服传统实验的弊病。DIS通过计算机软件记录与处理实验数据，具有简化操作过程、快捷采集与处理数据等明显优势。教师利用信息技术，提升学生在科学探究活动中获取证据的素养，并提高实验的精确度。同时，充分发散学生思维，引导与鼓励学生利用DIS实验中的不同器材装置创新实验方法，进行思维的碰撞，通过对比更好地掌握相关的实验原理，促进对物理知识的整合，激发学生对实验探究的兴趣，掌握DIS实验探究方法，促进科学探究素养发展。

（三）DIS实验探究

教师：DIS通过计算机可以实时记录实验信息，并以数据表格或图像的形式呈现，使实验过程更直观、易懂，简化数据运算过程，大大节省实验时间。大家按照这些想法，分成不同的小组，基于DIS编制实验计划并实施，测定两物体接触面之间的动摩擦因数。

学生：分组讨论与编制实验计划，逐步完成实验，并进行实验误差分析。以光电门传感器法为例，具体实验步骤如下。

第一步，组装实验器材。实验系统由轨道平面、两只光电门传感器、数据采集器、滑块、挡光片、钩码、DISLab等组成（如图1）。首先，用游标卡尺测量挡光片宽度d，并将挡光片安装在滑块上;用电子天平测量滑块和挡光片总质量M、钩码质量m。然后，调整轨道平面使其水平，使用支架将两只光电门传感器固定在轨道一侧，将两只光电门分别接入数据采集器的第一、二通道。最后，将滑块置于轨道的一端，在轨道的另一端安装定滑轮系统，将钩码通过牵引绳与滑块连接，并悬挂在定滑轮下方，对滑块施加拉力。

第二步，分析受力。教师引导学生对在水平面上运动的滑块和竖直下落的钩码组成的系统进行受力分析。根据牛顿第二定律，可得：

mg-μmg=（m+m）a，得μ=

其中，μ为滑块与轨道平面之间的动摩擦因数，a为由滑块和钩码所组成的系统的加速度，g为查表获得的当地重力加速度。

第三步，记录实验数据。首先，打开DIS通用软件，设计实验表格（见表1）。

然后，点击“开始”，将滑块在一定位置由静止释放，使其在拉力的作用下于水平面上做匀加速直线运动。最后，测出滑块通过两只光电门的时间分别为t₁、t₂，通过两个光电门之间位移的时间为t₁₂。

第四步，处理实验数据。学生重复上述实验步骤，获得多组数据，求加速度的平均值，最后代入μ=                   ，求得动摩擦因数的值。

第五步，分析实验误差。误差来源主要有：（1）空气阻力影响;（2）挡光片宽度、时间等参数的测量精度不够;（3）对于相应位置的速度用光电门传感器测量时，实际上是用滑块通过光电门的平均速度代替理论推导中的瞬时速度;（4）采用重物对滑块产生拉力时，重物在下落过程中容易晃动，影响其对滑块的拉力;（5）牵引绳与定滑轮之间存在一定的摩擦力。

设计意图：教师借助DIS开展探究性物理实验，让学生自主选择实验器材，进行实验探究，充分发挥学生的主体性，并提高实验教学效率，使学生在有限的时间内充分地完成探究性实验，在实践中逐步规范实验操作，促进理论知识的迁移应用和实验技能的提升，培养严谨的科学态度，提高学生的科学探究素养。

三、展示汇报，分享交流，归纳总结

教师引导学生自主对比分析，总结概括。

学生完成实验后，分组展示与汇报实验结果，相互分享与交流，最后进行实验总结与反思，课后撰写报告。

设计意图：教师让学生对比、分析、交流与总结（如图2），拓展思维，使学生有所思、有所悟，有效提高科学探究素养。

当前物理“科学探究”教学中存在“重实验形式，轻思维品质”的问题，实验变成一种按部就班的机械操作，忽视了在探究过程中对学生思维品质的训练^[2]。在实验教学中，教师往往忽视实验前对学生的思维引导，没有启发学生思考，以致学生缺乏主动思考与提出自己对问题的见解的机会。长此以往，容易降低学生对实验探究的兴趣，让学生误认为实验探究只是一种“看指令进行操作”的外部活动过程，难以深入理解科学探究的本质，不利于发展学生的科学探究素养。在物理实验教学中，教师应重视学生的思维训练，通过问题引导学生积极参与，有序探究，深度思考，同时突出学生的主体地位，促进学生的迁移应用能力和思维能力的发展。

参考文献

[1] 倪敏，陈舟.重力加速度3种DIS实验设计方法比较研究[J].物理教师，2019（3）：60-63.

[2] 林丽贞，洪兹田.指向“科学探究”素养提升的高中物理实验教学[J].实验教学与仪器，2021（Z1）：4-6.

（作者罗思玮、杨晓冰、刘莹亮、钱艳婷系上海师范大学研究生;赵祥永系上海师范大学研究员）