巧用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)促成有效課堂

1、DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)融合的實(shí)踐探索溫嶺市松門中學(xué) 胡人華摘要隨著課程改革不斷深入,物理教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)提出了更高的要求，本文論述了應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略與方法，分別從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、定性到定量、課堂到課外以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)踐探究。關(guān)鍵詞 數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 融合一、背景及意義新課程倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手、培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力；提倡多樣化教學(xué)方式，鼓勵(lì)將信息技術(shù)滲透于物理教學(xué)中。下表為現(xiàn)行高中物理教材中使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表： 借助運(yùn)動(dòng)傳感器用計(jì)算機(jī)測速度 人教版必修1用傳感器探究作用

2、力與反作用力的關(guān)系人教版必修1用傳感器觀察電容器的充放電人教版選修3-1用磁傳感器研究磁場人教版選修3-2用電流傳感器演示自感對電路中電流的影響 人教版選修3-2用電壓(流)傳感器演示電壓(流)波形 人教版選修3-2用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像 人教版選修3-4用光傳感器做雙縫的干涉實(shí)驗(yàn) 人教版選修3-4用光傳感器做單縫的衍射實(shí)驗(yàn) 人教版選修3-4用傳感器和計(jì)算機(jī)觀察振蕩電流 人教版選修3-4用傳感器測量放射性 人教版選修3-5在新教材實(shí)施的初期由于受到客觀條件的限制，上述的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)停留在教師言傳上，近幾年由于硬件的改善，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開設(shè)創(chuàng)造了條件。那么數(shù)字化實(shí)驗(yàn)給我們帶來了什么呢？

3、我們必須從傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)說起。1.新課程背景下傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的主要缺陷（1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的分辨率不高，影響了探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。高中物理教材中一些結(jié)論性內(nèi)容，由于受到常規(guī)儀器功能上的限制，只能停留在理論層面上，得不到實(shí)驗(yàn)的完美佐證。學(xué)生，甚至是老師也只能被動(dòng)接受教材理論上的闡述?！扒笞C”往往得不到滿足，使學(xué)生科學(xué)觀和科學(xué)精神得不到很好的培養(yǎng)。（2）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采樣率不高傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄只能采用手工記錄，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度影響較大，更重要的是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方法面對一些快速連續(xù)變化的量時(shí)往往無能為力。例如在牛頓第三定律的教學(xué)過程中，為了探究作用力和反作用的關(guān)系，傳統(tǒng)教學(xué)過程中教師往往采用一對彈簧

4、測力計(jì)對拉，讓學(xué)生來感受作用力和反用力的大小關(guān)系，但是我們的實(shí)驗(yàn)是在靜態(tài)的過程中完成的，如果在運(yùn)動(dòng)過程中呢？在加速和減速過程中呢？相互作用力是否也是相等的，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)就解決不了這個(gè)問題。如果我們在教學(xué)中引入力傳感器這個(gè)問題就迎刃而解。2.新課程呼喚數(shù)字化平臺(tái)DIS系統(tǒng)不僅是儀器設(shè)備的改革創(chuàng)新，更是實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)知識(shí)積累、重視論證、重視結(jié)論，向注重知識(shí)的形成過程、強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和合作精神的現(xiàn)代教育教學(xué)轉(zhuǎn)變的重要載體?？v觀歷年各省市的高考物理實(shí)驗(yàn)題，有不少涉及利用傳感器采集數(shù)據(jù)和分析的問題，所以在新課程中使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是大勢所趨。二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的關(guān)系 強(qiáng)調(diào)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并不是否

5、認(rèn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生正確使用儀器進(jìn)行觀察、測量和讀數(shù)，利于動(dòng)手能力、觀察能力培養(yǎng)。數(shù)據(jù)處理過程中，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力，作圖能力及利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的細(xì)致、認(rèn)真、耐心等觀察習(xí)慣以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。 強(qiáng)調(diào)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并不是用其完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。對于一種新的技術(shù)我們要用辯證的態(tài)度去認(rèn)識(shí)它，利用它。部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)代信息技術(shù)，可以使那些變化微小肉眼無法觀察的實(shí)驗(yàn)、瞬時(shí)變化的實(shí)驗(yàn)等借助各種傳感器將實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)采集記錄，加深學(xué)生對科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。通過這些數(shù)字化實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生開拓新的學(xué)習(xí)思路，創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)手段、建立新的實(shí)驗(yàn)方法、培育新型的人才。但是有些實(shí)驗(yàn)

6、還是利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式來的更加直觀，如做力的合成分解實(shí)驗(yàn)，力的大小用彈簧秤來測量就比用力的傳感器來測量要方便且直觀得多;研究穩(wěn)恒電路中電流，電壓的分布，而且只要采集少量的數(shù)據(jù)，也沒有必要用電流、電壓傳感器來代替普通的指針式電表。 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要優(yōu)勢互補(bǔ)，要從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和發(fā)展學(xué)生思維的角度出發(fā)去利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。教育的目的是促成人的發(fā)展，所以對于教育者來說更應(yīng)該關(guān)注過程而不是結(jié)果。我們將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足。三、DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)融合策略1從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，突破物理概念教學(xué)難點(diǎn)浙江省物理特級(jí)教師吳加澍非常強(qiáng)調(diào)我們在物理教學(xué)過程

7、中要做到物理知識(shí)問題化，問題情景化，學(xué)生要構(gòu)建一個(gè)物理概念，我們必須要提供給他們相應(yīng)的情景，讓學(xué)生在情景中觀察、分析、思考。如果傳統(tǒng)的教學(xué)手段難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，有時(shí)我們運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，創(chuàng)設(shè)問題情景，從而為學(xué)生展示事物的本質(zhì)。例如，物理選修3-2描述交變電流的物理量中對于正弦式交變電流有效值問題，教材中講述了一段通過電流的等效熱效應(yīng)建立有效值的概念，而對正弦式交變電流的有效值和峰值之間的關(guān)系只說明了“理論計(jì)算表明”就得出關(guān)系。如此處理讓學(xué)生感覺只是在知識(shí)的灌輸，機(jī)械的記憶。但利用DIS實(shí)驗(yàn)卻可以將有效值的真正意義形象地展示給學(xué)生。用兩只電流傳感器分別與兩只完全相同的小燈泡串聯(lián)，實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。

8、調(diào)節(jié)兩個(gè)圖2圖1燈泡達(dá)到相同亮度表示相同的功率（燈泡亮度較弱時(shí)用眼睛即可判定功率是否相同），此時(shí)記錄下電流隨時(shí)間變化的It圖線，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)圖線清楚地記載著兩燈泡具有相同熱功率時(shí)的電流時(shí)間圖線，曲線表示最大值約為0.4A的交流電，直線表示恒為0.275A的直流電。通過該實(shí)驗(yàn)的演示，雖然還不能得到交流電的最大值與有效值的定量關(guān)系，但可以形象表達(dá)交流電有效值的意義，對于后面建立“正弦交流電的電流最大值是有效值的倍”的關(guān)系將留下深刻的印象。2.從定性到定量，為科學(xué)探究創(chuàng)設(shè)條件 建構(gòu)主義理論告訴我們，學(xué)生的知識(shí)應(yīng)該是通過其自身的探索實(shí)踐，自我順應(yīng)或同化進(jìn)行建構(gòu)，教師應(yīng)盡量多給學(xué)生創(chuàng)造探尋規(guī)律的情景

9、或物化模型，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和構(gòu)建自己的知識(shí)能力體系。DIS系統(tǒng)把原來的只能用現(xiàn)象模擬解釋的實(shí)驗(yàn)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣就使教學(xué)的直觀性和科學(xué)性大大增強(qiáng)，同時(shí)也使學(xué)生從感性接受式學(xué)習(xí)模式走向體驗(yàn)探究的科學(xué)成長過程。 例如，物理必修2向心力向心力表達(dá)式的推導(dǎo)，教材根據(jù)牛頓第二定律和向心加速度表達(dá)式得到向心力的表達(dá)式，定義向心力概念。由于以往條件的限制教師在教學(xué)過程中比較強(qiáng)調(diào)向心力和其他物理量的定性關(guān)系。很難用實(shí)驗(yàn)來探究，而用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定量探究。 器材:朗威DISLab數(shù)據(jù)采集器、光電門傳感器、力傳感器、向心力實(shí)驗(yàn)器、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)操作主要步驟：（1）保持旋臂靜止不動(dòng)，對傳感器

10、進(jìn)行軟件“調(diào)零”。撥動(dòng)旋臂使之做圓周運(yùn)動(dòng)，擋光桿每次通過光電門傳感器，記錄下祛碼的向心力值F并計(jì)算出此時(shí)的角速度。隨著旋臂轉(zhuǎn)速逐漸減慢，軟件窗口上方的坐標(biāo)系內(nèi)將顯示自右上方至左下方分布的一組F-數(shù)據(jù)點(diǎn)。對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析。分別點(diǎn)擊“一次擬合”、“二次擬合”、“三次擬合”，得出三條擬合圖線。觀察可見，二次擬合圖線與數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布非常接近，可推斷F-之間是二次方關(guān)系。 (2)點(diǎn)擊某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可顯示出該點(diǎn)的坐標(biāo)值，以便精確分析。(3)保持祛碼的運(yùn)動(dòng)半徑不變，改變其質(zhì)量，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出幾組F-數(shù)據(jù)點(diǎn)。(4)保持祛碼的質(zhì)量不變，改變其運(yùn)動(dòng)半徑，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出幾組F-數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖4 研究向心力與角速度之間的關(guān)系

11、圖3向心力研究實(shí)驗(yàn)裝置圖(5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析向心力F與角速度和質(zhì)量m的關(guān)系。圖6 質(zhì)量不變，改變半徑得到的數(shù)據(jù)圖5半徑不變，改變質(zhì)量得到的數(shù)據(jù)3.從課堂走向課外，激發(fā)學(xué)生探究熱情重視培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)完成物理實(shí)驗(yàn)的能力.數(shù)學(xué)圖形的分析能力、復(fù)雜物理問題的分析判斷能力;學(xué)生有更大的自行選材設(shè)計(jì)空間，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究意識(shí)、能力和創(chuàng)新能力。DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有高精確度、高靈敏度、實(shí)時(shí)測量記錄數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)可以幫助學(xué)生對一些生活、生產(chǎn)、自然現(xiàn)象中學(xué)生不易觀察的現(xiàn)象進(jìn)行重新思考與認(rèn)識(shí)，從而讓學(xué)生對生活、生產(chǎn)、自然現(xiàn)象產(chǎn)生興趣，為創(chuàng)新提供思想基礎(chǔ)，讓學(xué)生養(yǎng)成遇事就要思考的習(xí)慣。 例如

12、：物理選修3-2中探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件做一做中有個(gè)學(xué)生探究主題：“搖繩能發(fā)電嗎？”，把一條大約10m城電線的兩端連在一個(gè)靈敏電流表的兩個(gè)接線柱上，形成閉合導(dǎo)線回路。兩個(gè)同學(xué)迅速搖動(dòng)這條電線，可以發(fā)電嗎？簡述你的理由。你認(rèn)為兩個(gè)同學(xué)沿哪個(gè)方向站立時(shí)，發(fā)電的可能性比較大？試一試。 用傳統(tǒng)的電流表來做，往往現(xiàn)象不是很清晰，主要原因是實(shí)驗(yàn)室里的電流表靈敏度不是很高，這就容易讓一些學(xué)生對教材的理論知識(shí)產(chǎn)生懷疑。但如果在教學(xué)活動(dòng)中用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來研究，也就是說用電流傳感器連接在導(dǎo)線的兩端，人面向東南西北四個(gè)方向都去嘗試搖繩，觀察繩索在切割地磁感線所產(chǎn)生的電流，現(xiàn)象就非常明顯，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置會(huì)增強(qiáng)學(xué)生

13、探究地磁場的欲望，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，引發(fā)了學(xué)生的“創(chuàng)造”熱情。4、 從傳統(tǒng)到創(chuàng)新，適當(dāng)替代，還學(xué)生思考的空間盡管用傳感器代替了部分測量儀表，但并沒有脫離傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，而是借助其實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢填補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中諸如微小量測量、暫態(tài)量測量等多個(gè)測量空白，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合這預(yù)示著它具有很強(qiáng)的拓展性，承傳并發(fā)展傳統(tǒng)。圖7例如：教材3-1電阻定律中，提供的探究方案一，“探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的定量關(guān)系”，如圖7，A、b、c、d是四條不同金屬導(dǎo)體。在長度、橫截面界、材料三個(gè)因素方面，b、c、d跟a相比，分別只有一個(gè)因素不同：b與a長度不同；c與a橫截面積不同；d與a材

14、料不同。利用控制變量法的方法可以得出長度、橫截面積、材料這三個(gè)因素與電阻的關(guān)系。改變滑動(dòng)變阻器滑片的位置，可以獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以得到更可靠的結(jié)論。圖8從理論上講，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)非常的完美，也非常容易得出結(jié)論，但筆者根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材去操作這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，由于電壓表精度的限制，導(dǎo)體兩端獲得的電壓往往誤差比較大，很難讓學(xué)生獲得信服的結(jié)論。基于以上考慮，筆者對該實(shí)驗(yàn)中探究導(dǎo)體長度與電阻的關(guān)系作了重新設(shè)計(jì)，并拓展提升，組織教學(xué)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案：與DISLab數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合，用電壓傳感器測出電壓，位移傳感器來測導(dǎo)體的長度，來研究到導(dǎo)體長度變化時(shí)，導(dǎo)體兩端的電壓如何變化。（實(shí)驗(yàn)電路如圖8）教學(xué)片段設(shè)

15、計(jì)及拓展提升如下：教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖指導(dǎo)學(xué)生閱讀書本“探究方案一”。問題1、根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)電路圖，說出該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理。教師演示：根據(jù)電路圖連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要用電壓傳感器來代替電壓表，為了探究導(dǎo)體長度和電阻的關(guān)系用位移傳感器來測量長度的變化。實(shí)驗(yàn)前介紹下電壓傳感器和位移傳感器的使用方法。演示1：逐漸改變導(dǎo)線的長度，觀察電壓傳感器的示數(shù)變化并通過電腦軟件來記錄U和L的數(shù)值。問題2、U和L可能是怎樣的關(guān)系。通過數(shù)據(jù)的擬合得出U和L的關(guān)系。(教師截圖，并保留數(shù)據(jù))課堂延伸：思考1： 展示U-L圖像，讓學(xué)生來猜測直線的斜率有何意義？教師通過板演來推理斜率的意義。思考2：如何在第一段導(dǎo)

16、線的基礎(chǔ)上在串聯(lián)上一段相同橫截面積不同材料的導(dǎo)線，繼續(xù)做該實(shí)驗(yàn)，會(huì)得到怎樣的圖像？學(xué)生閱讀并思考討論問題學(xué)生觀察并思考實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析導(dǎo)體電阻與它的長度的關(guān)系：讓學(xué)生利用串聯(lián)知識(shí)，探討此時(shí)導(dǎo)體電阻與長度關(guān)系。學(xué)生思考討論學(xué)生根據(jù)以前對圖像問題的認(rèn)識(shí)，通過討論，合作途徑完成斜率的意義。學(xué)生思考討論同學(xué)學(xué)生閱讀、思考、討論提高學(xué)生的探究合作能力和自學(xué)能力通過數(shù)字傳感的使用和數(shù)據(jù)的處理，提高學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力。培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力，學(xué)會(huì)用學(xué)過的知識(shí)再生新的知識(shí)，感受邏輯的力量 知識(shí)的深化和拓展，并通過課后的合作討論完成，體會(huì)成功。從這個(gè)實(shí)例可以看出，如果能將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有機(jī)的整合在

17、一起，即能充分利用實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)器材，又能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具體，更直觀，也更有利學(xué)生理解和接受。總之，物理實(shí)驗(yàn)作為物理教學(xué)的基本手段，有其特殊的教學(xué)功能。新課改要求教師樹立正確的以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的教學(xué)觀。新課教學(xué)中通過有趣的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生求知欲，吸引學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)觀察力，進(jìn)而探求其物理學(xué)本質(zhì)規(guī)律，再利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)快速采集處理數(shù)據(jù)的功能改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)理分析，進(jìn)一步進(jìn)行定量探究，增加物理研究的科學(xué)性，利于學(xué)生掌握物理規(guī)律。使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式無法展示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做了有效的補(bǔ)充與拓展，更提高了學(xué)生的探究興趣，讓學(xué)生在課堂上處于最大限度的主動(dòng)激活狀態(tài)。教學(xué)中兩種實(shí)驗(yàn)方式