摘要：隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和國家新一輪課程教材改革的推進，以傳感器和計算機為基礎(chǔ)，實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學(xué)整合的DIS實驗應(yīng)運而生。本文結(jié)合教學(xué)實例，就DIS實驗應(yīng)用于高中物理教學(xué)的優(yōu)勢進行探討，同時也指出在物理教學(xué)過程中要合理利用DIS實驗，揚長避短，優(yōu)勢互補，從而實現(xiàn)DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的有效整合。

關(guān)鍵詞：DIS實驗；傳統(tǒng)實驗；物理教學(xué)；信息技術(shù)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003—6148(2011)9(S)-0029—4

信息技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳罘绞?、思維方式和教育方式，如何發(fā)揮信息技術(shù)在課程改革中的作用，也是當前課程改革研究的一個重要問題?！痘A(chǔ)教育改革綱要》要求：課程改革要“大力推進信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合”?！段锢碚n程標準》明確指出：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗室，加快中學(xué)物理實驗軟件的開發(fā)和應(yīng)用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果等”。面對新課程標準的實施，我校在2007年配備了DIS實驗。近幾年，我們將DIS實驗有機地滲透在高中物理實驗教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。本文就此方面進行一些探討和思考。

1 DIS實驗及其優(yōu)勢

DIS是Digital Information System的縮寫，意為“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計算機(裝有實驗軟件包)”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。其中，傳感器用來快速、高精度地實時采集實驗數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴实碾娦盘杺鬏斀o數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器是連接傳感器和計算機的橋梁，是整個系統(tǒng)的核心，對傳感器傳輸?shù)碾娦盘栠M行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析，然后將結(jié)果傳輸給計算機。計算機通過數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件中的專用軟件和通用軟件，以數(shù)值、圖表、曲線等各種方式表現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算、曲線猜想與擬合等各種分析與處理。

與單純的傳統(tǒng)物理實驗相比，DIS實驗系統(tǒng)具有多類型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺、多模式的數(shù)據(jù)顯示方式、強大的函數(shù)圖象處理，這些特色和優(yōu)勢使DIS實驗有著十分強大的生命力，在物理教學(xué)中越來越顯示出它的優(yōu)勢。

1.1提高了數(shù)據(jù)的精度

DIS實驗?zāi)艹揭恍﹤鹘y(tǒng)實驗中誤差很大的實驗器材，減少因測量精度方面而帶來的實驗誤差，比如傳統(tǒng)實驗中用秒表測量時間、彈簧秤測量力、電壓表測量電壓等。目前傳感器的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了力、電、磁、聲、光、熱等方面的測量。

1.2提高了實驗的速度

傳統(tǒng)實驗在處理數(shù)據(jù)方面總有力不從心的感覺，因為缺乏有效的手段來處理數(shù)據(jù)，所以就不要求在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上來做研究，而數(shù)據(jù)數(shù)量少又不符合科學(xué)研究的規(guī)律。由于DIS實驗具備實時實驗的功能，能快速、準確、動態(tài)地采集數(shù)據(jù)信息、并由計算機輔助分析處理，實驗可以在非常短的時間內(nèi)完成。這樣可以讓學(xué)生有更多的時間去研究物理圖線，探究物理規(guī)律。

1.3彌補了傳統(tǒng)實驗的空白

由于DIS實驗相對完善的數(shù)據(jù)處理軟件，可以設(shè)計出很多借助傳統(tǒng)實驗裝置想做而做不好的實驗。如：“牛頓第三定律實驗”，傳統(tǒng)實驗利用兩個彈簧秤互相鉤住向相反方向拉，通過彈簧秤的示數(shù)來說明作用力與反作用力的關(guān)系?？墒菑椈沙拥木忍土?，微小力的變化根本測不出來。DIS實驗則利用兩個力傳感器，實驗中力的大小隨時可變，并實時顯示，拉力和推力可瞬間切換。即使在運動狀態(tài)，如勻速、加速、瞬間碰撞狀態(tài)下，作用力與反作用力也盡顯圖上。觀察獲得的圖線，發(fā)現(xiàn)兩條圖線以時間軸為中心上下對稱(圖1)。一對相互作用力大小相等方向相反的規(guī)律得以淋漓盡致地展現(xiàn)，體現(xiàn)了物理的對稱美。

1.4改變了學(xué)習(xí)的方式

DIS實驗更有利于創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景，營造探究氣氛。豐富的傳感器可以增強學(xué)生的實踐體驗，信息化的實驗手段可以拓展學(xué)生探究日常生活中物理現(xiàn)象的能力，強大的數(shù)據(jù)處理能力和開放的平臺有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題尋找規(guī)律，有利于學(xué)生將計算機知識(如EXCEL處理數(shù)據(jù)方法)引入物理實驗，從而能激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

2 DIS實驗在物理教學(xué)中的應(yīng)用

DIS實驗具有方便、精確、快速等優(yōu)勢，在物理實驗中具有直觀形象、化小為大、化遠為近，動靜變化、快慢可調(diào)、重復(fù)再現(xiàn)等功能，成功克服了傳統(tǒng)實驗的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合。

2.1使抽象過程可視化

當傳統(tǒng)的實驗難以呈現(xiàn)相關(guān)的物理過程時，運用DIS實驗的傳感器技術(shù)使實驗過程可視化，有利于學(xué)生對物理過程的理解。例如，在彈簧振子的振動實驗中，學(xué)生很難同時觀察到回復(fù)力、加速度、速度和位移四個物理量在運動過程中的大小和方向，理解起來十分困難。若利用力傳感器和位移傳感器，直觀顯示彈簧振子的振動圖像(圖2)呈正弦規(guī)律變化。不僅能讓學(xué)生“看到”力的變化過程，還能夠“看到”位移的變化過程。

2.2使暫態(tài)現(xiàn)象凝固化

在物理實驗教學(xué)過程中，一些物理現(xiàn)象雖非微小信號，但持續(xù)時間很短，比如自感現(xiàn)象“暫態(tài)”特征突出，實驗難度大。基于傳統(tǒng)儀器，物理現(xiàn)象的表現(xiàn)不過是小燈泡的瞬間明滅或電流表(電壓表)指針的快速擺動。面對儀器的瞬間變化，學(xué)生的思維來不及跟隨，實驗效果受到影響。因此，怎樣捕捉暫態(tài)信號，把物理過程的瞬間變化凝固下來讓學(xué)生仔細觀察和分析，一直令教師們傷腦筋。在自感現(xiàn)象中引入電流傳感器后，即可得到兩條清晰展示通電自感與斷電自感現(xiàn)象全過程的圖線(圖3)，使學(xué)生直觀地看到自感對電流的影響，引導(dǎo)學(xué)生認識自感現(xiàn)象的本質(zhì)。接著啟用傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象演示器，展示兩只小燈泡的亮度變化，驗證學(xué)生分析推理的正確與否。學(xué)生由被動地聽講變成了主動參與，大大提高了課堂教學(xué)的效果。

2.3使微觀現(xiàn)象放大化

聲波作為機械波的特例，其振動強弱變化也可以用該系統(tǒng)實時顯示，聲傳感器可以直接檢測聲音的振幅衰減過程，在計算機上可以清晰地看到這一過程，同時利用聲傳感器也可以檢測到聲源振動的頻率，栩栩如生，一目了然。

2.4可開展探究性實驗

利用DIS強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以將傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒炋骄浚瑸閷W(xué)生開展探究性實驗提供了平臺與素材。例如研究通電螺線管內(nèi)磁場的實驗，傳統(tǒng)實驗根本無法實現(xiàn)定量的研究，但利用DIS實驗，可以利用磁場傳感器探究螺線管探究不同位置的磁感強度。

3 DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的整合策略

DIS實驗與高科技相聯(lián)系，為中學(xué)物理教學(xué)增添了一種先進的實驗手段。但是，DIS實驗與傳統(tǒng)實驗各有長處和短處。在同時面對傳統(tǒng)與新技術(shù)的時候，我們更應(yīng)該客觀地審視它們，合理有效地利用它們，努力實現(xiàn)優(yōu)勢互補，將兩者有機地整合起來。

3.1整合實驗儀器

盡管DIS實驗代替了部分傳統(tǒng)實驗，但應(yīng)在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和改進。例如，進行“自感現(xiàn)象”教學(xué)時，自感現(xiàn)象演示儀器仍“位居前排”，但連接在電路上的不是演示電表，而是DIS實驗的電流和電壓傳感器。這一改變使得原來只能憑借小燈泡的明滅和演示電表的擺動進行觀察的自感過程，通過“電流、電壓一時間”圖線而獲得清晰體現(xiàn)，學(xué)生對自感現(xiàn)象的認識深度大大提升。

3.2整合實驗方法

學(xué)生對知識的理解和掌握有其自身規(guī)律，直觀的感性認識往往是進行抽象、歸納的前提，在很多實驗中傳統(tǒng)的方法常有其特別的優(yōu)勢。例如在高一進行超重與失重的實驗中，就有傳統(tǒng)實驗和DIS實驗兩套實驗方案。在傳統(tǒng)實驗中一般會讓學(xué)生手持下端掛鉤碼的彈簧秤，在電梯上升、下降過程中觀察彈簧秤示數(shù)的變化；在DIS實驗中就是手持吊有鉤碼的力傳感器在垂直方向做變速運動，即可獲得清晰的“力一時間”圖線，并從中觀察到超重、失重現(xiàn)象(圖4)。對比這兩種實驗方法，傳統(tǒng)實驗更注重為學(xué)生的觀察和體會提供最直觀生動的現(xiàn)象，而DIS實驗系統(tǒng)更多是利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力通過準確的數(shù)據(jù)來說明問題，雖然后者更科學(xué)，但對于高中階段學(xué)生的理解和歸納能力而言，直觀現(xiàn)象比抽象數(shù)據(jù)對學(xué)生獲取知識更有幫助。所以在超重與失重教學(xué)中，我們整合了兩種實驗方法，以前者為主，后者為輔，相輔相成，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

3.3整合買驗?zāi)芰?/p>

實驗操作能力是中學(xué)物理實驗中的基本能力，正確而有序的實驗操作，是我們達成實驗?zāi)康牡哪繕酥?。傳統(tǒng)實驗需要的測量儀器較多，操作時間較長，需要多次觀察，重復(fù)測量，有利于培養(yǎng)學(xué)生耐心的觀察習(xí)慣。而DIS實驗不需要觀察儀器的刻度、構(gòu)造、使用方法，操作過程相對簡單，提高了學(xué)生的計算機操作技能，有利于學(xué)生掌握利用現(xiàn)代化信息技術(shù)學(xué)習(xí)、拓展知識的能力。另外傳統(tǒng)實驗要求學(xué)生要經(jīng)過詳細的計算或描點作圖，分析歸納，才能得出結(jié)論，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的計算能力、作圖能力以及利用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力。DIS實驗中計算、描點、作圖的工作都由計算機來完成，更側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)形結(jié)合能力、對知識規(guī)律的探究能力，以及根據(jù)信息構(gòu)建物理模型的能力。

總之，DIS實驗教學(xué)并不是要否定和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗教學(xué)，而是與傳統(tǒng)實驗共存與互補，相輔相成。在物理教學(xué)過程中既要提倡DIS實驗應(yīng)用于高中物理教學(xué)，又不能偏廢傳統(tǒng)實驗原理、實驗手段和實驗方法的學(xué)習(xí)。我們應(yīng)該從教學(xué)實際出發(fā)，因情制宜，適時選擇和合理整合，方可揚長避短，相得益彰。

(欄目編輯 趙保鋼)