夏良英 李永洪 張喜林

（東莞中學松山湖學校，廣東 東莞 523808）

1 問題的提出

我國2003年頒布的《普通高中物理課程標準》中強調(diào)：“重視將信息技術(shù)應用到物理實驗中，加快中學生物理實驗軟件的開發(fā)和應用，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.”DISLab就是在這樣的背景下被開發(fā)和引入到中學物理教學的.現(xiàn)行高中物理教材的許多地方都介紹了用傳感器進行的物理實驗.在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)引入課堂教學，對新課程的教學改革起到了很大的促進作用.特別是在教育發(fā)達的上海、江蘇一帶，數(shù)字化實驗教學研究較為普遍，主要表現(xiàn)在數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)演示實驗的對比研究，以及對中學教材中出現(xiàn)的物理實驗進行修正與改進.一些有經(jīng)濟實力的學校率先建立了數(shù)字化探究實驗室，但由于諸多原因并未開放給學生，實現(xiàn)真正的探究，甚至在課堂演示實驗中也很少用到DIS.DIS實驗到底為何沒有得到大力的推廣？是教師的原因，學生的原因，還是DIS本身的原因？還有DIS實驗對于培養(yǎng)學生的物理思維和實驗能力真的比傳統(tǒng)實驗好嗎？傳統(tǒng)物理實驗和DIS實驗在教學實踐中各自的優(yōu)缺點是什么呢？這些國內(nèi)并沒有開展相應的研究.

2 對比分析DIS實驗和傳統(tǒng)物理實驗

對比分析兩類實驗在實驗過程及其效果中的不同點及各自的優(yōu)缺點，具體指導同一個物理實驗到底應采用DIS實驗還是傳統(tǒng)實驗（選取廣東高考考綱要求的12個實驗）.

2.1 驗證性實驗（表1）

表1

續(xù)表

2.2 探究性實驗（表2）

表2

2.3 測定性實驗（表3）

表3

3 編出實驗題目對學生進行測試

為了對比研究DIS實驗和傳統(tǒng)物理實驗在教學實踐中的優(yōu)缺點，本研究主要選取廣東高考考綱要求的12個實驗.但考慮到一些實驗的可操作性以及測試結(jié)果的準確度，實際只選取“驗證動量守恒定律”和“驗證機械能守恒定律”2個實驗.

參加測試的人數(shù)為104人，都是高二的學生，其中7班50人，8班54人.2個班級都利用傳統(tǒng)儀器（“驗證動量守恒定律”實驗利用平拋運動和氣墊導軌，“驗證機械能守恒定律”利用打點計時器）進行了分組實驗，其中7班還進行了DIS數(shù)字化實驗，測試結(jié)果見表4.

表4

2個實驗的測試題目選自高考模擬試題，注重考查學生對實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理和誤差的分析.為了統(tǒng)計方便，所有的測試題都設置為選擇題，2個班級的平均分分別是55.2分和55.6分，總平均分55.4分.從總平均分來看，兩個班級幾乎沒有差別，也就說明利用DIS進行實驗后學生在實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等方面的能力并沒有得到明顯的提高.從每個小題的得分情況來看，7班在對實驗原理方面的理解比8班有明顯的差距（第5題選出驗證動量守恒定律的表達式，7班得分率50%，8班得分率88.3%）；在對光電門和光電計時器的掌握上，7班有一定的優(yōu)勢（分別是第10、11題，7班的得分率分別是96%、100%，8班的得分率分別為83.3%、88.9%）.這一結(jié)果反應了DIS數(shù)字化實驗強化了學生對光電門和光電計時器的掌握，弱化了學生對實驗原理和方法的理解.

在“驗證機械能守恒定律”實驗的測試題中，為了保證測試題目的公平性，沒有引入光電門和光電計時器（因為8班只利用打點計時器來進行實驗），從測試題的得分來看7班22.7分，8班22.5分，2個班級得分相差無幾，掌握程度相當.

經(jīng)分析，這2個實驗利用DIS進行數(shù)字化實驗，強化了學生對光電門和光電計時器的掌握，但對學生在實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等方面的能力提升沒有明顯的幫助，還可能會弱化對實驗原理的理解和掌握.

4 在常規(guī)教學中對比分析DIS實驗和傳統(tǒng)實驗在培養(yǎng)學生物理思維和實驗能力方面的不同點及各自的優(yōu)缺點.

為什么會出現(xiàn)上述測試結(jié)果呢？究其原因，還得從DIS實驗和傳統(tǒng)實驗的特點進行分析研究.

4.1 DIS實驗和傳統(tǒng)實驗的裝置組成

DIS實驗，又稱“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實驗軟件包＋計算機”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng).該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實驗儀器的諸多弊端，利用傳感器，例如電流、電壓、壓強、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等，可以實時地動態(tài)地測量各種物理量并把它們統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電信號輸入數(shù)據(jù)采集器，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學的全面整合，而且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、強大的函數(shù)圖像處理等，可以幫助對物理現(xiàn)象進行多角度的感知和多視角的深入分析與研究.

而傳統(tǒng)實驗中所用到的設備，絕大多數(shù)是以18、19世紀的物理學知識作為理論支撐，使用了幾十年甚至上百年的老式裝備，主要包括：秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點計時器、電壓表、電流表、溫度計等.這套設備的特點是每一個實驗都必須由多種儀器組合使用，實驗進程緩慢，精度不高，且要通過進行大量的人工計算來分析處理實驗信息.

4.2 DIS實驗和傳統(tǒng)實驗對學生觀察、數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)實驗側(cè)重于培養(yǎng)認真、細致、耐心等觀察習慣；重視正確選擇和使用儀器的能力培養(yǎng)；重視學生技能的訓練；充分培養(yǎng)學生的計算能力、作圖能力及利用數(shù)學知識解決物理問題的能力.DIS實驗則側(cè)重于培養(yǎng)學生在觀察中思考探究的能力；有利于提升學生利用現(xiàn)代化信息技術(shù)進行學習和拓展知識的能力；在數(shù)據(jù)處理過程中，有助于訓練學生的數(shù)學圖形分析能力、對復雜物理問題的分析判斷能力.

例如，在講牛頓第三定律時，傳統(tǒng)實驗利用2個彈簧秤相互鉤住向相反方向，通過彈簧秤的示數(shù)變化來說明作用力與反作用力的關(guān)系.可是由于彈簧的精度太低，微小力的變化難以測出來.DIS實驗（如圖1）利用2個力傳感器作相同的實驗，精度高，效果好.傳感器不但能夠靈敏顯示微小力的變化，而且能即時描繪出作用力與反作用力的力變化圖像，形象直觀地看出作用力與反作用力的性質(zhì).

圖1

但是數(shù)字化實驗僅僅只是在數(shù)據(jù)處理的時間上、精確度上以及圖像展示上，具有傳統(tǒng)實驗無法比擬的優(yōu)勢，DIS實驗數(shù)據(jù)處理得更快、更準確、更直觀.而對于物理原理的理解、物理思維的培養(yǎng)和動手能力、繪圖能力的鍛煉，與傳統(tǒng)實驗對比，DIS實驗對學生各方面的能力培養(yǎng)不足.例如，在“驗證機械能守恒定律”實驗中，傳統(tǒng)實驗要求學生根據(jù)紙帶所打的點，利用平均速度公式計算某點的瞬時速度，進而通過求解驗證.而DIS實驗直接通過數(shù)據(jù)采集器采集重物下落的瞬時速度，然后由計算機直接反映出結(jié)果，這樣雖然使得實驗迅速、準確，但學生少了思考以及動手計算的機會，對學生能力培養(yǎng)不利.

綜上，在物理教學中，實驗的目的在于探索或驗證物理規(guī)律，這就要求學生必須具有分析和處理實驗數(shù)據(jù)的能力.傳統(tǒng)實驗在數(shù)據(jù)處理方面所花的時間很長，在數(shù)據(jù)處理過程中，學生要經(jīng)過詳細的計算或描點作圖，才能夠根據(jù)計算的結(jié)果或作出的圖像進行分析歸納并得出結(jié)論.這可以充分培養(yǎng)學生的作圖能力和計算能力，及利用數(shù)學知識解決物理問題的能力.但同時由于計算過程太過冗長，導致學生用于探索研究的時間較短.DIS實驗則正好相反，它用于數(shù)據(jù)處理的時間很少，這些工作都由計算機來完成.學生的主要任務是根據(jù)數(shù)據(jù)進行探索、研究、推測結(jié)論，然后選擇合適的函數(shù)進行擬合.這與傳統(tǒng)實驗明顯不同，DIS實驗給了學生很長的時間進行探索研究.

4.3 DIS實驗和傳統(tǒng)實驗對學生思維能力培養(yǎng)

（1）對學生設計實驗的能力及自主探究能力的培養(yǎng).

基于社會發(fā)展對創(chuàng)新人才的需求，培養(yǎng)學生獨立設計實驗方案的能力及自主探究的創(chuàng)新和鉆研能力已在實驗教學中占有越來越重要的地位.傳統(tǒng)實驗由于儀器的簡陋和操作的繁瑣，一些必要的測量無法實現(xiàn)，因此對學生的設計要求具有很大的局限性，也限制了學生探究和鉆研的深度與廣度.DIS實驗則為解決這類難題提供了器材和技術(shù)的保證.DIS實驗儀器具有測量范圍廣、測量精度高、操作簡便、數(shù)據(jù)分析迅速準確等特點和優(yōu)點，可以達到很高的設計要求，所以更加注重對學生這方面能力的培養(yǎng).在逐步開展的研究性學習中，DIS有著廣泛的應用價值.很多實驗都可以由學生自行設計、選材和完成，從而達到培養(yǎng)學生的自主探究能力、研究能力和創(chuàng)新能力的目的.

（2）對拓展、聯(lián)想、猜測能力的培養(yǎng).

豐富的想象力、廣泛的聯(lián)想能力以及大膽合理的猜測能力，是物理研究和創(chuàng)造性人才不可缺少的思維品質(zhì).許多歷史上著名的物理學家就是通過對很多未知現(xiàn)象的觀察、想象、聯(lián)想，進行大膽的猜測，在此基礎上再進行深入的研究，最后才總結(jié)出規(guī)律的.所以，培養(yǎng)學生的拓展、聯(lián)想、猜測能力也是物理教改的方向之一.傳統(tǒng)實驗由于過分重視基本技能的培養(yǎng)，學生習慣于按部就班地做實驗.再加上實驗條件本身的限制，對學生思維的廣度、深度及靈活性的培養(yǎng)不夠，使學生的想象力得不到充分的發(fā)展.因此，在對學生拓展、聯(lián)想、猜測能力的培養(yǎng)方面，傳統(tǒng)實驗是有所欠缺的.

而DIS實驗獨特的數(shù)形結(jié)合功能、函數(shù)模擬功能，以及先進的測量儀器，為優(yōu)化學習方式、學會學習、倡導自主探究、實踐體驗和合作交流提供了空間和時間.所謂見多識廣，學生思維的廣度和深度及靈活性自然會有所增加，從而也會拓展學生的想象空間，增強他們的聯(lián)想和猜測能力.

綜上所述，DIS實驗與傳統(tǒng)實驗在對學生各方面能力的培養(yǎng)上各有側(cè)重，在教學中若能取長補短，定會達到更好的效果.DIS實驗與傳統(tǒng)實驗應該同時并重，長期共存，互為補充，相輔相成，既無主次之分，更不能互相替換.它們不是推倒與重建、破和立的關(guān)系，而是繼承與發(fā)展的關(guān)系.在物理教學過程中既要提倡運用DIS，也不能忽略傳統(tǒng)實驗原理、實驗手段和實驗方法的學習.

1 孫元清.高中鉆研型課程導師指示手冊［M］.上海：科技教育出版社，2001.

2 陶洪.物理實驗論［M］，南寧：廣西教育出版社，1996.

3 張越，馮容士，陸伯鴻.上海市DIS物理實驗的鉆研與應用經(jīng)驗匯編［J］.上海市教育委員會教學鉆研室，2011.

4 馮容士，陳開運.物理實驗創(chuàng)造技法和實驗鉆研［M］.上海：教育出版社，1991.

5 崔允漷.校本課程開發(fā)逐一理論與實踐［M］.北京：教育科學出版社，2000.