数字化信息系统实验助力学生自主探究

朱霞 毛浪志 温培玲

【摘 要】将信息技术与物理教学深度融合，充分发挥学生的学习自主性，能够更有效地落实学科核心素养。笔者利用DIS（数字化信息系统）实验，激发学生进行实验探究的兴趣，提高课堂探究实验的效率，达到了很好的教学效果，学生的学习自主性得到了提高。

【关键词】DIS实验；自主探究；信息化

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）06-079-02

数字化信息系统（DIS，Digital Information System）实验作为一种现代化实验教学手段已被应用到物理新课程中。DIS实验是数字化信息系统实验的简称，以传感器测量为基础。信息技术与物理教学深度融合，能够精准、快速、便捷地记录和分析处理数据，并将测量数据可视化、即时化，更好地显示测量数据的变化过程，让数据计算、图像显示更加快捷。

“双新”改革是在高中阶段由国家主导的新课程和新教材教育改革，是一个系统化的改革举措，主张教师和学生通过情境实践和问题探究学习。对于笔者所处的基础薄弱校来说，学生的科学探究能力有限，面对探究实验中的数据分析和处理存在较大困难，数学计算、图像处理能力都比较弱，一定程度上影响了学生对实验的学习热情和深入思考分析。笔者尝试使用DIS进行有关实验探究，发现学生实验探究的兴趣得到了很大提高，对实验的思考更加深入了，提出的问题的角度也多了，很好地改善了实验探究的效果，学生的学习自主性也得到了提高。

降低数据分析难度，提高实验探究兴趣

高中生对物理实验的兴趣大多数停留在新奇的实验现象上，而对数据分析有畏难情绪。利用DIS实验，既能保护学生好奇心的星星之火，也能降低学生对枯燥的数据和复杂的数据分析的畏难心理。

以高二物理“电感器和电容器对交变电流的作用”为例。人教版（2019）新教材将这部分内容变为了选择性必修二第三章“交变电流”第二节“交变电流的描述”一节的拓展学习内容，课时变得更加紧张。学生提出交变电流在遇到电容器之后，其电流值有所改变，但是交变电流的周期是否受到影响呢？如何通过实验验证呢？能否用电流传感器观察一下？根据学生的设想和问题，课下笔者协助学生设计了如下DIS实验。

实验器材：学生电源（交流2V）、电容器（1000μF、3300μF、470μF）、导线、开关、电阻箱、朗威电流传感器（频率采样1kHz）。

实验电路：将交流电源与电容器、电阻箱和电流传感器串联起来即可。

实验步骤及数据：第一步，电阻箱选择5Ω，电路中未接入电容器时，电流传感器记录到的正弦式交流电，电流峰值0.68A，周期为0.02s；第二步，电路中加入3300μF的电容器，交变电流峰值变为0.64A，周期保持0.02s不变；第三步，改为加入1000μF的电容器，交变电流峰值变为0.52A，周期保持0.02s不变；第四步，改为加入470μF的电容器，交变电流峰值变为0.39A，周期保持0.02s不变。

通过对比实验数据，学生发现电容器对交变电流有阻碍作用，电容越小，阻碍作用越大，但是周期保持不变。完成实验后，学生很有成就感，更加激发了他们日后遇到问题不仅需要理论分析，而且需要通过实验探究论证的热情。

整合教材引发质疑，提高课堂探究实验效率

教师在课堂上要创设有利于“质疑”的情境和氛围。质疑不仅是一种能力，更是一种习惯，它是学生发现问题的前提，是提出问题的基石[1]。如果想让学生有质疑，提出有质量的、有价值的研究问题，教师自身也需要有质疑和自主探究的精神。教师如何引导学生在课本学习中发现有价值的研究问题呢？

首先就是研究教材。在教学设计中教师要敢于打破常规，整合教材内容，用教材而不是教教材。“观察电容器的充放电现象”是新课程标准增加的必修课程学生实验，在人教版普通高中教科书物理必修三第10章第4节“电容器的电容”中。教材上提供了实验电路图，交代了实验器材，但对实验器材的具体参数没有交代。学习这部分内容的时候还没有学习恒定电流一章，学生对于电压表是由小量程电流表改装而成的知识并不了解。初中教学一再强调电压表接在电路中等效于断路，也让学生对于电压表内阻无穷大的印象根深蒂固。然而这个实验的问题恰恰就是电压表不能视为理想电表，要考虑其内阻。在以往的教学中，教师往往一带而过，直接使用传感器或者数字万用表替代传统电压表。这可以使得探究实验很顺利地进行下去，又能得到教材上描述的实验结论。然而这也损失了一个让学生产生质疑并进行研究的机会。

笔者将教材内容进行调整，把观察电容器充放电的实验放到了恒定电流一章的最后。也就是做完了所有电学实验之后，再做这个观察电容器充放电的实验。希望学生能够自己发现问题，并且能够解释出现的问题。

在课堂上，教师给学生提供教材上的实验器材，学校现有的电容器多数为几千微法，电流表使用灵敏电流计，再提供电压表、电阻箱（最大阻值9999.9欧姆）、2-4节干电池等，连接电路并进行实验。按照实验电路进行实验，学生是无法达到预期实验结果的。于是学生就会对实验产生如下疑点。

质疑点一：单刀双掷开关置于1，给电容器进行充电，会观察到灵敏电流计指针迅速偏到最大后又迅速减小，后来减小变慢，最后停在某一电流值。这个现象与教材给出的充电时充电电流逐渐减小至0出现冲突。

质疑点二：充电时电压表由0逐渐增大，最终停在某一电压值。若将单刀双掷开关空置，与电源断开，则可以看到电压表示数逐渐减小到0，即电容器通过电压表放电。而教材表述内容为“即使断开电源，两极板上的电荷由于相互吸引而仍然被保存在电容器中”，这在实验中也是没看到的[2]。发现疑点之后，教师引导学生用所学过的知识解释疑点，并且启发学生思考能否突破这个疑点。这仅靠课上的时间是远远不够的，让学生自主探究需要给他们充分的时间。从收集资料、查看前人完成实验的经验，到不断更换仪器进行反复实验尝试。学生利用学校中午开放实验室的时间进行了讨论和交流，最终得到了教材上的表述需要在一定参数条件下才能成立的结论。

在此期间，学生的探究欲望很强，搜集资料、预约实验室做实验、记录实验结果的过程让学生体会到了科学探究的乐趣。

身边的DIS实验，探究生活中的物理问题

利用智能手机中的phyphox应用程序，日常的测量速度、加速度、磁场磁感应强度等，都可以激发学生的实验探究兴趣。例如，高一上学期的自由落体运动，课上教师让学生利用手机测量了自由落体运动的加速度。高一下学期的超重和失重现象，课上利用手机记录下蹲和起立过程中的F-t图像，分析超重和失重状态。有了课堂上的引导，令人欣慰的是学生去滑雪时，他们自发地用手机测量乘坐缆车和从滑道上滑下时的加速度，坐地铁公交也拿出手机测量加速和减速时的加速度，并和教师交流分析。

总之，随着更多地使用电子设备以及信息化的普及，学生对使用DIS实验越来越感兴趣。信息化时代的到来，以及“双新”背景下对于已有一些教学经验的教师来说又有了新的挑战，只有教师有不断探究的精神，才能将教材常讲常新，既能提高自己的物理核心素养，也是对学生科学素养提升的带动。

參考文献

邹鸿志. 激励学生大胆质疑，提升学生创新能力——一个新教材例题“争议点”引发的思考[J]. 物理教学，2022，44（7）.

冉晓红. 探究电容器充放电实验方案的创新设计[J]. 实验教学与仪器，2014，31（6）.