張寧波

摘 要：本文從教學(xué)實(shí)踐的角度，闡述了數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）在兩個具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例——探究電流與電壓的關(guān)系實(shí)驗(yàn)教學(xué)和探究磁鐵周圍的磁場實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，通過將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與DIS實(shí)驗(yàn)結(jié)合的嘗試，有效地提高了實(shí)驗(yàn)的效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；初中物理實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）11-0059-2

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（DIS）是信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的重要基礎(chǔ)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)、配套系統(tǒng)軟件及配套教具等構(gòu)成。它以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過各種傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，通過數(shù)據(jù)采集器將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)送往計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖線分析，借助計算機(jī)平臺更直觀地顯示物理現(xiàn)象，更深刻地揭示物理規(guī)律。傳感器是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分。傳感器包括力傳感器、位移傳感器、聲波傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器等。它能夠快速、高精度地適時采集物理實(shí)驗(yàn)中力熱聲光電等各種變化著的物理量數(shù)據(jù)?；趥鞲衅鞯挠嬎銠C(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)采集和基于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計算機(jī)建模和圖像分析等技術(shù)是開展物理探究教學(xué)的兩大技術(shù)支撐。

下面列舉兩個筆者在初中物理教學(xué)中利用DIS數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)例。

案例1 探究電流與電壓的關(guān)系

傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時利用滑動變阻器多次改變定值電阻兩端的電壓，分別用電壓表和電流表測出電壓值和對應(yīng)的電流值，再在坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖，通過數(shù)據(jù)和圖像得出結(jié)論。但一節(jié)課的時間里，學(xué)生既要設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，包括設(shè)計實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)表格，又要完成定值電阻的電壓、電流值的多次測量，需要較長的時間。而且，如果電壓值取得太接近或者不是倍數(shù)關(guān)系，測出的數(shù)據(jù)不容易得出結(jié)論。因此，在實(shí)驗(yàn)前，很多教師往往會提醒學(xué)生使電壓成整數(shù)倍變化，這樣做的結(jié)果是學(xué)生確實(shí)容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)出結(jié)論，但是“探究”的意味就淡了許多，原本生動有趣的實(shí)驗(yàn)也變得枯燥乏味了。若非如此，學(xué)生就需要更多時間來進(jìn)行更多次的實(shí)驗(yàn)，一節(jié)課的內(nèi)容又很難完成。

應(yīng)用DIS數(shù)字化系統(tǒng)就很輕松地解決了這個矛盾。

實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)分析：

1.按電路圖連接電路，為使結(jié)論具有普遍性，將一個5 Ω和一個10 Ω的定值電阻串聯(lián)進(jìn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用電壓傳感器和電流傳感器代替電壓表和電流表分別測定值電阻兩端的電壓和通過定值電阻的電流。

2.將電壓傳感器和電流傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器。

3.打開計算機(jī)，進(jìn)入數(shù)字化信息系統(tǒng)軟件，新建實(shí)驗(yàn)，設(shè)置電阻的電流-電壓關(guān)系圖線。

4.閉合開關(guān)，移動滑動變阻器的滑片，改變定值電阻兩端的電壓，測量多組電壓和電流值。計算機(jī)根據(jù)得到的電壓值和電流值實(shí)時在界面上生成電流-電壓關(guān)系圖像，如圖1所示。

⒌分析所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像，得出結(jié)論。

從圖像中能明顯地看出通過定值電阻的電流與定值電阻兩端的電壓成正比。將電壓、電流傳感器引入測量小燈泡的電阻教學(xué)，就可以在很短的時間內(nèi)清楚地記錄下電流隨電壓變化的曲線。使教學(xué)手段更多樣，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的更好達(dá)成。使用數(shù)字傳感器的好處一是時間短，通過設(shè)置，每隔0.1 s就會有一組電壓電流數(shù)據(jù)對應(yīng)的點(diǎn)描繪在坐標(biāo)系中，因此在較短的時間（幾秒鐘）內(nèi)就會有幾十個點(diǎn)記錄下來，同時生成I-U圖像。二是數(shù)據(jù)多，結(jié)論更可靠。由于采集的數(shù)據(jù)較多，因此圖像較為理想。

案例2 探究磁鐵周圍的磁場實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：

1.將磁傳感器接入數(shù)據(jù)采集器。

2.打開數(shù)字化信息系統(tǒng)軟件，新建實(shí)驗(yàn)，設(shè)置磁場強(qiáng)度-時間圖線，時間設(shè)置為1 min，時間間隔設(shè)為10 ms。

3.將磁傳感器探頭向下，在條形磁體表面從條形磁體的中間開始勻速地向一個磁極移動（如圖3），再從一個磁極勻速向另一個磁極移動，如此往復(fù)，測出磁場強(qiáng)度隨時間的變化。

4.觀察圖像，總結(jié)條形磁鐵周圍的磁場分布特點(diǎn)。

應(yīng)用磁感應(yīng)傳感器可以使學(xué)生明顯地觀察到電磁鐵周圍磁場強(qiáng)弱的變化，使我們?nèi)庋劭床灰娒恢拇艌鲎兊蔑@而易見。

由以上數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用看出傳感器的介入提升了實(shí)驗(yàn)的效率圖像的展示，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和分析能力。讓教師無需語言的贅述，通過理性的數(shù)學(xué)分析得出，使學(xué)生的認(rèn)知水平得到提升。但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也存在一些問題，比如不利于學(xué)生對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的熟練操作和正確使用。同時，數(shù)字化設(shè)備對學(xué)生的科學(xué)探究方法、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、數(shù)字處理能力有較高的要求。因此，教師在教學(xué)過程中就必須再學(xué)習(xí)，必須接受新儀器、新手段，才能掌握好新的科技手段，并用在自己的教學(xué)工作中。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐蓓蓓.物理DIS實(shí)驗(yàn)與探究式教學(xué)的整合和案例研究[D].上海：華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

（欄目編輯 王柏廬）