摘?要：因?yàn)镈IS系統(tǒng)與傳統(tǒng)器材差異較大，所以傳統(tǒng)的一些實(shí)驗(yàn)題，可能在考察通過DIS實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)成長(zhǎng)的學(xué)生時(shí)，不一定能培養(yǎng)、考查到應(yīng)有的核心素養(yǎng).本文通過改編傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等方面，討論在采用DIS實(shí)驗(yàn)的背景下，如何改編和原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)題.

關(guān)鍵詞：DIS;實(shí)驗(yàn);習(xí)題;核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0031?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：姚勇（1981-），男，上海嘉定人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1?問題提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）提出了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，其中之一是科學(xué)探究能力.而物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)、考察科學(xué)探究能力方面有重要作用.

上海市二期課改以來，數(shù)字化信息系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱DIS）給上海高中物理實(shí)驗(yàn)帶來了巨大變革.但因地區(qū)差異，DIS替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材在全國(guó)范圍內(nèi)各地的實(shí)驗(yàn)習(xí)題也差異很大，習(xí)題如果使用上不加選擇，可能無法起到恰當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)和考察素養(yǎng)的作用.

例1?（2014北京卷）在“測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)”實(shí)驗(yàn)中，得到了如圖1所示的端電壓-總電流圖象，則該電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻是多少？

錯(cuò)誤率非常高的錯(cuò)解是用1.5V/0.6A得到內(nèi)阻阻值，原因是學(xué)生沒有看到坐標(biāo)原點(diǎn)是（0A，1.0V）.

為什么要設(shè)計(jì)這樣的坐標(biāo)系？因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，電流表一般用0.6A的量程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在I<0.6A的范圍.如果以（0A，0V）為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行描點(diǎn)作圖，很可能出現(xiàn)圖2所示的情況，紙張的利用率很低，坐標(biāo)的最小刻度較大，導(dǎo)致描點(diǎn)的誤差較高.將坐標(biāo)原點(diǎn)改為（0A，1.0V），一般會(huì)出現(xiàn)圖3所示的結(jié)果.從紙張的利用率、描點(diǎn)的難度和精確程度等方面考慮，沒有觀察到原點(diǎn)（0A，1.0V）的學(xué)生，合理處理數(shù)據(jù)的科學(xué)素養(yǎng)可能是有欠缺的.

然而運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“直線擬合”就出現(xiàn)U-I圖象，部分計(jì)算機(jī)顯示圖象的坐標(biāo)原點(diǎn)固定（0A，0V），所以在DIS實(shí)驗(yàn)環(huán)境下學(xué)習(xí)的學(xué)生基本不需要在意原點(diǎn)的坐標(biāo)值.

例1本意考察科學(xué)探究中的數(shù)據(jù)處理能力，但如果考生是通過DIS實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)成長(zhǎng)的學(xué)生，那么例1更像是考查了數(shù)學(xué)知識(shí).作為對(duì)比，2014年上海高考物理試卷中的實(shí)驗(yàn)題，就采用了與教材上相同的DIS界面坐標(biāo)系，如圖4，回避了上述問題.

新課標(biāo)在命題角度明確提出“試題所涉及的知識(shí)內(nèi)容應(yīng)具有代表性”，所以DIS實(shí)驗(yàn)習(xí)題的設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有所區(qū)別.如何更好地落實(shí)核心素養(yǎng)？這是因?qū)嶒?yàn)技術(shù)的進(jìn)步而對(duì)教師提出了新要求.

2?優(yōu)化策略

2.1?改編傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作業(yè)中涉及器材的問題

器材是DIS相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)最直觀的變動(dòng)，所以實(shí)驗(yàn)習(xí)題中首先要變化的就是器材.如果拿傳統(tǒng)器材考察學(xué)習(xí)DIS實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，很可能會(huì)“水土不服”.

2.1.1?原理相似，改變器材

傳統(tǒng)向心力演示儀和DIS系統(tǒng)的配套演示儀外觀差異比較大，但原理都是利用重物以一定半徑的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，測(cè)量向心力與其他物理量的關(guān)系.傳統(tǒng)器材左右兩個(gè)小球?qū)Ρ?，而DIS系統(tǒng)可以多次改變條件測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

例2?如圖5所示的向心力演示儀，左右兩小球質(zhì)量相同，皮帶繞在左右半徑相同的圓盤上，左側(cè)小球轉(zhuǎn)動(dòng)半徑是右側(cè)小球轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的兩倍.在緩慢增加轉(zhuǎn)速的過程中，豎直桿上依次顯示出刻度2∶1，4∶2，6∶3…….根據(jù)上述過程可得.

改編后：如圖6所示的向心力演示儀，不改變物塊質(zhì)量，用3cm、6cm、9cm的半徑分別實(shí)驗(yàn)，得到了如圖7所示的F-ω圖象.添加豎直輔助線后，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的力近似為1∶2∶3，根據(jù)上述過程可得.

傳統(tǒng)的向心力實(shí)驗(yàn)基本習(xí)題例2經(jīng)過上述修改后，雖然器材變動(dòng)，但題目中劃線部分的條件都是“質(zhì)量”和“角速度”不變，考察內(nèi)容仍然是“質(zhì)量和角速度相同時(shí)，向心力與半徑成正比”，符合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到初步結(jié)論的科學(xué)探究要求.

類似的情況還出現(xiàn)在“一定質(zhì)量的氣體，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”“測(cè)定電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”等實(shí)驗(yàn)中，其共同特點(diǎn)是DIS都采用了傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)的原理基本沒有變化，所以對(duì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)習(xí)題應(yīng)采用修改器材但不修改考察內(nèi)容的方式.

2.1.2?原理不同，重新設(shè)計(jì)

在“測(cè)定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度”實(shí)驗(yàn)中，DIS用位移傳感器測(cè)量位移隨時(shí)間的變化，然后計(jì)算機(jī)求解得到速度和時(shí)間的關(guān)系，最終在v-t圖中用斜率求加速度;打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（或頻閃照相）則用逐差法求加速度.如果用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來考察學(xué)習(xí)DIS器材的學(xué)生顯然不合適.

例3?（2016年天津卷，因篇幅原因，題干有所省略）某同學(xué)利用圖8所示裝置研究小車的勻變速直線運(yùn)動(dòng).

他實(shí)驗(yàn)時(shí)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到頻率為50Hz的交流電源上，得到一條紙帶，打出的部分計(jì)數(shù)點(diǎn)如圖9所示（每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)，圖中未畫出）;s1=3.59cm;s2=4.41cm;……

則小車的加速度a=m/s2（要求充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)），……

為了改編，應(yīng)將傳統(tǒng)器材的操作改為DIS器材的操作，變成作v-t圖象求解加速度以適應(yīng)DIS器材的數(shù)據(jù)處理方式.

改編后：有一個(gè)小車從軌道下滑做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，傳感器記錄下部分速度與時(shí)間的關(guān)系（見表1）.

（1）實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)在釋放小車（選填“前”或“后”）點(diǎn)擊“開始記錄”.

（2）作v-t圖.

（3）質(zhì)點(diǎn)的加速度a=m/s2，小車在0.9s時(shí)間內(nèi)的位移是m;（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）

第3問，兩空分別考察v-t圖中利用斜率求解加速度和利用面積求位移，體現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容具有代表性.但除了考察的核心素養(yǎng)仍是數(shù)據(jù)處理能力外，整個(gè)題目基本找不到與原題太多的聯(lián)系.所以這類實(shí)驗(yàn)題，基本需對(duì)應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)原理重新設(shè)計(jì).

2.2?編制體現(xiàn)DIS實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新點(diǎn)的習(xí)題

DIS系統(tǒng)帶來的實(shí)驗(yàn)新操作和創(chuàng)新點(diǎn)有很多，如傳感器調(diào)零、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)器材中難以測(cè)量的物理量和過程……隨之而來考察學(xué)生科學(xué)探究能力的觀測(cè)點(diǎn)也增多了，下面選取幾個(gè)主要的問題加以說明.

2.2.1?儀器調(diào)零

使用基本器材的能力是科學(xué)探究的前提.傳統(tǒng)器材也需要調(diào)零，如彈簧秤.但彈簧秤調(diào)零完畢后，多次測(cè)量中基本可以不用再調(diào)零.DIS實(shí)驗(yàn)器材中有差異，首先傳感器可能有初始信號(hào)（有一定讀數(shù)）.如力傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、磁傳感器等都需要調(diào)零，每次重啟系統(tǒng)后必須再次調(diào)零.

上海已經(jīng)在2015年高考中考察了類似問題.

例4?（2015上海卷）在“用DIS研究通電螺線管的磁感應(yīng)強(qiáng)度”實(shí)驗(yàn)中：

（1）在對(duì)螺線管通電（選填“前”或“后”）必須對(duì)磁傳感器進(jìn)行調(diào)零.

如果在接通電源后再調(diào)零，那將把螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)也忽略掉，造成實(shí)驗(yàn)在原理上發(fā)生錯(cuò)誤.所以正確調(diào)零在DIS實(shí)驗(yàn)中非常重要.類似在測(cè)定電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中，可以編制如下習(xí)題.

例5?在測(cè)定電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)按照如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（1）正確連接實(shí)驗(yàn)器材，打開計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)界面.

（2）將滑動(dòng)變阻器滑片移動(dòng)到電阻最大處.

（3）閉合電鍵，點(diǎn)擊屏幕“傳感器調(diào)零”，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”.

（4）移動(dòng)滑片，再次點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”，重復(fù)操作，獲得5組數(shù)據(jù).

（5）點(diǎn)擊“停止采集”，進(jìn)行作圖等數(shù)據(jù)分析步驟.

最終獲得了如圖10所示過原點(diǎn)的傾斜直線，造成上述現(xiàn)象的原因是步驟中存在錯(cuò)誤操作，應(yīng)改為.

（參考答案：3，先調(diào)零，后閉合電鍵并記錄數(shù)據(jù)）

因?yàn)殚]合電鍵后，電壓傳感器和電流傳感器有一定讀數(shù)，此時(shí)再調(diào)零，會(huì)將閉合電鍵時(shí)的電流、電壓值以零來處理，導(dǎo)致第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)變?yōu)椋?A，0V），之后測(cè)量的所有數(shù)據(jù)都被減少了特定的值，U-I直線被平移到了I軸下方.此外，在上述操作中電動(dòng)勢(shì)無法測(cè)量，但內(nèi)阻的值，即斜率不受影響，可進(jìn)一步編制在題目中.

2.2.2?實(shí)時(shí)的圖象

DIS的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)捕捉數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)軟件可以作圖展示很多數(shù)據(jù)的關(guān)系.可以在實(shí)驗(yàn)作業(yè)中設(shè)計(jì)一些引起思考的問題，以培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、分析結(jié)論的習(xí)慣.

例6?（區(qū)縣模擬卷）圖11為“研究一定質(zhì)量氣體在體積不變時(shí)，其壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn).采用逐漸加熱水升高水溫的辦法測(cè)量壓強(qiáng)和溫度.

某同學(xué)記錄下了初始時(shí)封閉氣體壓強(qiáng)p0和攝氏溫度t0，隨后逐漸升高溫度，并記錄下每次測(cè)量結(jié)果與初始值的差值Δp和Δt.在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)試管木塞脫落，他重新接上后繼續(xù)加熱水實(shí)驗(yàn)，其余操作無誤.Δp-Δt的關(guān)系圖應(yīng)是

學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)中不能漏氣，但很少有學(xué)生會(huì)追問漏氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果到底是什么影響？例6就展示了這一變化關(guān)系——漏氣后內(nèi)外壓強(qiáng)又相等了，內(nèi)外壓強(qiáng)差Δp突變?yōu)榱?

類似的問題還有如“通電螺線管內(nèi)部一定是勻強(qiáng)磁場(chǎng)嗎？”，作業(yè)中可以設(shè)計(jì)一道用自制短螺線管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖，如圖12，螺線管內(nèi)沒有勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的存在，引發(fā)學(xué)生對(duì)此強(qiáng)烈的好奇，并進(jìn)一步分析原因.

2.2.3?完整的物理過程

對(duì)物理過程的分析也是核心素養(yǎng)科學(xué)探究中的一個(gè)環(huán)節(jié)，DIS實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)的完整過程可以設(shè)計(jì)成課后習(xí)題.

如豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能演示有足夠速度才能越過最高點(diǎn)，而DIS實(shí)驗(yàn)則可以做到全程實(shí)時(shí)采集.

例7?如圖13所示，某同學(xué)利用二維位移傳感器（可記錄被測(cè)物體的位置），記錄下小物體從軌道上靜止釋放后下滑進(jìn)入圓軌道的過程.小物體經(jīng)過圓軌道過程中，傳感器每隔相同時(shí)間記錄下小物體的位置數(shù)據(jù)，下列四個(gè)圖象中有可能出現(xiàn)的是根據(jù)機(jī)械能守恒和圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)，小球在高處速度小.但要沿圓軌道運(yùn)動(dòng)，最高點(diǎn)速度至少是gR（R為軌道半徑）而不是趨向零，所以應(yīng)選擇A.這一習(xí)題通過小球的位置數(shù)據(jù)，全程顯示了小球在圓軌道的運(yùn)動(dòng)情況，考察了學(xué)生建立合理模型、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的探究能力.

還有很多類似過程，如超重與失重過程、液體蒸發(fā)致冷過程、電容充放電過程等等都適合用DIS全程展現(xiàn)后由學(xué)生做出分析.

物理教學(xué)要“重過程”，在一節(jié)課中可以用DIS實(shí)驗(yàn)展示很多過程，因?yàn)榻虒W(xué)理念發(fā)生了變革，所以習(xí)題也應(yīng)該體現(xiàn)這種變革，才能更好地提供學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋信息.

2.3?對(duì)已編制的DIS實(shí)驗(yàn)作業(yè)再次進(jìn)行驗(yàn)證和修改

試題的真實(shí)性始終是一條底線，在新課標(biāo)中也強(qiáng)調(diào)試題要科學(xué)、規(guī)范.DIS以及配套實(shí)驗(yàn)器材很多，如果編制成習(xí)題，就要注意各方面細(xì)節(jié)，確保實(shí)驗(yàn)符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn).

例8?（區(qū)縣模擬題）如圖14所示是運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)的位移傳感器測(cè)定小車在斜面上自由滑動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置圖.通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)所繪制的小車運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間圖象（如圖15）.……

上述習(xí)題初看沒有問題，小車以一定初速度從左向右滑向高處，做勻減速運(yùn)動(dòng).但實(shí)際操作后就能發(fā)現(xiàn)，速度結(jié)果為負(fù)，圖線應(yīng)該在時(shí)間軸下方，原因是小車靠近位移傳感器接收器部分，傳感器測(cè)量的距離（認(rèn)為是位移）越來越小，所以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)求導(dǎo)后得到速度為負(fù).因而，本題中的速度-時(shí)間圖象應(yīng)改為如圖16所示.

例9?如圖17所示，利用磁傳感器測(cè)量導(dǎo)線一側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度……

利用磁傳感器進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，注意磁傳感器使用時(shí)探頭應(yīng)與磁場(chǎng)方向平行.圖示的使用方式有誤，本方案適合測(cè)量導(dǎo)線正上方或正下方的磁場(chǎng).

其他如力傳感器對(duì)拉力方向有要求，在研究單擺繩子拉力時(shí)，一個(gè)力傳感器因?yàn)槔K子側(cè)拉的緣故，誤差會(huì)很大.如果要編制習(xí)題，應(yīng)利用兩個(gè)傳感器求合力.

包括曾經(jīng)在高考，研究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)題目中，光電門傳感器的安裝位置可以改變（實(shí)際學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的安裝位置是固定的）也引起了一定爭(zhēng)議.因而對(duì)已編制的DIS新實(shí)驗(yàn)新習(xí)題，一定要確保經(jīng)過實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)，避免給學(xué)生錯(cuò)誤的引導(dǎo).

2.4?難度符合新課標(biāo)

DIS系統(tǒng)非常強(qiáng)大，從學(xué)生實(shí)驗(yàn)到演示實(shí)驗(yàn)，從課外拓展到IYPT學(xué)術(shù)競(jìng)賽，DIS提供了很大的探究空間.那是不是所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都值得編制成習(xí)題讓學(xué)生探索呢？新課標(biāo)提出“要從知識(shí)內(nèi)容等方面科學(xué)合理地設(shè)計(jì)試題難度”.

例10?如圖18所示，在“研究一定質(zhì)量理想氣體在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)和體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中.……

若軟管內(nèi)容積不可忽略，按該同學(xué)的操作，最后擬合出的p-1/V直線應(yīng)是圖18中的.（填寫編號(hào)）

本小題看似沒有難度，因?yàn)閳D象就是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示.但要從根本上解決上述問題需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將氣體壓強(qiáng)讀數(shù)p與注射器體積讀數(shù)V化為

推導(dǎo)過程略，其中C= p0V0，即初始時(shí)壓強(qiáng)與體積的乘積.

之后才能獲知這是一條雙曲線，隨后發(fā)現(xiàn)雙曲線上取若干點(diǎn)直線擬合后會(huì)形成直線1.上述推導(dǎo)過程對(duì)大部分高中學(xué)生是做不到的.雖然學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中獲得的圖象回憶起結(jié)果，但從考察核心素養(yǎng)的角度來說，因?yàn)閷W(xué)生不能理解，所以例10只能單純考察記憶，起不到實(shí)驗(yàn)習(xí)題應(yīng)有的考察科學(xué)探究的價(jià)值.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》站在新的高度，對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)做了許多清晰的界定.實(shí)驗(yàn)題作為考察科學(xué)探究的“主陣地”，在DIS背景下，應(yīng)當(dāng)順應(yīng)新課標(biāo)帶來的新要求，在實(shí)驗(yàn)習(xí)題方面培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]張?jiān)?，馮容士.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手冊(cè) 高中（試驗(yàn)本）[M].上海：上海教育出版社，2015.

[3]張?jiān)?，馮容士.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手冊(cè) 高中拓展（試驗(yàn)本）[M].上海：上海教育出版社，2015.

[4]馮容士，李鼎.DIS二維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)（Ⅱ）[J].物理教學(xué)，2012（02），19-24.

[5]楊介信，張大同.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大全[M].上海：上海教育出版社，1995.

（收稿日期：2019-06-20）