丁宗星

(福建師范大學(xué)平潭附屬中學(xué) 福建 福州 350401)

隨著信息快速發(fā)展，信息與教育融合成為一種必然的發(fā)展趨勢．DIS系統(tǒng)以及配套軟件將物理情景與數(shù)據(jù)信息緊密地結(jié)合在一起，在教育領(lǐng)域中作為教育教學(xué)測量工具，已被廣泛應(yīng)用在各學(xué)科實(shí)驗(yàn)探究采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理，然而大部分教師沒有充分利用DIS系統(tǒng)用于教學(xué)演示，課堂欠缺數(shù)據(jù)信息化元素，造成教學(xué)資源的浪費(fèi)，因此如何充分利用DIS系統(tǒng)致力于實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)的相關(guān)研究成為廣泛討論的問題．

本文結(jié)合實(shí)際課堂教師演示實(shí)驗(yàn)，提出簡單、易于操作的實(shí)驗(yàn)方案，借助DIS系統(tǒng)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量應(yīng)用進(jìn)行了案例分析，希望能夠激勵(lì)更多的教師在課堂教學(xué)中使用DIS系統(tǒng)，充分體現(xiàn)信息化教育，勇于打破傳統(tǒng)，大膽提出有創(chuàng)意、又簡單可行的實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和情景教學(xué)．

1 物理實(shí)驗(yàn)DIS系統(tǒng)組成

DIS系統(tǒng)全稱數(shù)字化信息系統(tǒng)，而物理實(shí)驗(yàn)DIS系統(tǒng)主要圖形計(jì)算器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)儀器和計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)成．物理教學(xué)通常使用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)儀器，其中包括計(jì)算機(jī)、測量傳感器、數(shù)據(jù)連接線和計(jì)算機(jī)軟件[1，2]．

2 物理實(shí)驗(yàn)DIS系統(tǒng)的測量傳感器

高中物理實(shí)驗(yàn)DIS系統(tǒng)的常見測量傳感器主要有位移傳感器、聲波傳感器電學(xué)、電學(xué)傳感器、力學(xué)傳感器等等，本文主要涉及到的傳感器是電學(xué)傳感器用于間接測量原電池相關(guān)的電學(xué)參量[1，2]．

2.1 電腦軟件安裝

通過相關(guān)步驟安裝DISLab 8.0 軟件，當(dāng)正確安裝完軟件后，在電腦桌面上出現(xiàn)如圖1所示的軟件快捷方式．然后雙擊該軟件彈出軟件首頁面，選擇相應(yīng)的通用軟件模塊并點(diǎn)擊．

圖1 DISLab 8.0簡單介紹

2.2 數(shù)據(jù)采集步驟

采集器有4個(gè)通道可以同步采集、處理和顯示數(shù)據(jù)．?dāng)?shù)據(jù)采集器可通過接插有線或無線模塊改變與傳感器的通訊方式，從而實(shí)現(xiàn)四路無線采集．本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集器選擇接插有線方式．在點(diǎn)擊通用軟件模塊之后桌面會(huì)顯示如圖2所示界面，測量數(shù)據(jù)之前先對傳感器調(diào)零，再點(diǎn)擊計(jì)算表格按鈕并點(diǎn)擊記錄開始測量數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)外電阻，外電阻每變化一次則點(diǎn)擊測量一組數(shù)據(jù)，測量大概10組數(shù)據(jù)就可以結(jié)束測量過程[1，2]．

圖2 DISLab 8.0通用軟件模塊

先點(diǎn)擊繪圖按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)彈出橫縱坐標(biāo)軸，可以選取坐標(biāo)軸信息，選擇完畢后點(diǎn)擊確定按鈕，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪在系統(tǒng)坐標(biāo)紙內(nèi)．再通過點(diǎn)擊擬合按鈕(可以選擇不同的擬合函數(shù))將所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像擬合,可以直觀得到變化的圖像．

3 DIS系統(tǒng)應(yīng)用案例與分析

下面以“探究閉合電路歐姆定律”片段教學(xué)為例，介紹DIS系統(tǒng)在物理教學(xué)中的應(yīng)用.

3.1 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析

本片段教學(xué)選自魯科版物理必修3第四章第1節(jié)．

課標(biāo)要求：了解電源電動(dòng)勢概念及物理意義，通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識閉合電路歐姆定律的表達(dá)式，以及公式應(yīng)用[3]．

結(jié)合教材與課標(biāo)分析：本節(jié)課是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)化學(xué)原電池的原理和構(gòu)造，以及了解用伏安法測量小電阻時(shí)應(yīng)選擇電流表外接法或者試觸法的基礎(chǔ)．利用化學(xué)原電池結(jié)構(gòu)簡單、易于測量內(nèi)部電壓的同時(shí)又不破壞原電池的完整性的特點(diǎn)，借助DIS測量系統(tǒng)從更深層次入手，探究原電池內(nèi)壓和外壓的關(guān)聯(lián)．通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出閉合電路歐姆定律的定量表達(dá)式．該實(shí)驗(yàn)可以科學(xué)定量探究閉合電路歐姆定律，以及加強(qiáng)學(xué)生對電源外電壓、輸出功率以及效率隨外電阻變化規(guī)律的理解，從而引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維的過程，樹立正確的科學(xué)觀念．

學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)和能力水平：學(xué)生在知識上已經(jīng)學(xué)習(xí)了形成電流的條件和電流在閉合電路中的流向，掌握了研究電容器充放電的知識，這為科學(xué)探究閉合電路歐姆定律的基本過程奠定了一定的基礎(chǔ).在能力上具備一定的抽象概念的辨析、實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)學(xué)理論分析和作圖等能力，但學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及如何運(yùn)用圖像分析現(xiàn)象存在一定的困難，這需要教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論，引導(dǎo)幫助學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)采集以及圖像分析等過程．

3.2 教學(xué)目標(biāo)

通過結(jié)合電容器充放電概念和假山噴泉生活經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生明白電源電動(dòng)勢概念以及了解電動(dòng)勢的物理意義．經(jīng)歷自我探索和辨析過程，加深對抽象的電源電動(dòng)勢的理解．通過演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，得出化學(xué)原電池內(nèi)壓和外壓之間的定量關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生得出閉合電路歐姆定律的表達(dá)式，提高實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的能力．

3.3 教學(xué)策略分析

先結(jié)合DIS傳感器與多媒體設(shè)備，通過課堂演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并結(jié)合DIS配套軟件現(xiàn)場將所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化并結(jié)合擬合圖像結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律．幫助學(xué)生完整地經(jīng)歷探究定量實(shí)驗(yàn)的過程，提高課堂效率，激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，提高自主探究物理規(guī)律的能力．

3.4 片段教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)演示電路板通過閉合開關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)小燈泡與電源并聯(lián).

教師提問：通過閉合或斷開多個(gè)開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)小燈泡與電源并聯(lián)的個(gè)數(shù)增加或減小的情況下，請學(xué)生們認(rèn)真觀察電源兩端電壓表的指針偏轉(zhuǎn)情況并記錄在表格當(dāng)中，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并聯(lián)小燈泡變多的情況下電源兩端電壓變小(“被誰偷走的電壓”)問題.

學(xué)生猜想：可能被電源內(nèi)部偷走．

教師介紹：測量化學(xué)原電池電學(xué)參量裝置[4～6]，如圖3和4所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)器材和化學(xué)原電池

圖4 上課現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn)過程

(1)介紹化學(xué)原電池正負(fù)極板以及用于測量內(nèi)部電壓的探針片，提醒學(xué)生連接電壓傳感器時(shí)，測外部電壓和內(nèi)部電壓順序剛好相反，本實(shí)驗(yàn)裝置需要兩個(gè)電壓傳感器U1和U2分別用來測量原電池外電壓和內(nèi)電壓，還需要一個(gè)電流傳感器I3.

(2)連接好電路，通過試觸法發(fā)現(xiàn)電壓傳感器數(shù)字變化明顯，而電流傳感器數(shù)字變化不明顯，從而選擇電流表外接法測量原電池端壓．

(3)通過減小滑動(dòng)變阻器的阻值，每變化一次測量一組數(shù)據(jù)，大概測量10組數(shù)據(jù)．

環(huán)節(jié)二：實(shí)驗(yàn)探究閉合電路歐姆定律以及電源外電壓、輸出功率、效率隨外電阻變化規(guī)律.

教師演示：如圖5所示，將實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過點(diǎn)擊計(jì)算表格控制菜單欄中公式定義新變量外電阻R、電源電動(dòng)勢E、輸出功率P、電源效率η．引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)填入導(dǎo)學(xué)案中，讓學(xué)生觀察數(shù)據(jù)分組討論并完成導(dǎo)學(xué)案中的問題．

圖5 上課現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)圖

問題1：原電池的內(nèi)部電壓和外部電壓之間有什么關(guān)系？

學(xué)生分析：如圖5所示，通過觀察不難發(fā)現(xiàn)新定義的變量E的數(shù)值接近2.3 V，從而可以得到內(nèi)壓和外壓相加的值滿足E=U1+U2=C(定值).

教師演示：通過公式變化將U2=Ir代入可得到E=U1+Ir，為了驗(yàn)證所測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足公式，點(diǎn)計(jì)算表格控制中的繪圖按鈕，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)離散化坐標(biāo)紙中，其中橫軸代表電流I3，縱軸代表外電壓U1，再點(diǎn)擊擬合按鈕選擇線性擬合選項(xiàng)就可得到如圖6所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條傾斜的直線跟數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合一致，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納得出這條直線就是原電池的伏安特性曲線．

圖6 原電池伏安特性曲線圖

學(xué)生分析總結(jié)：通過擬合得到一次函數(shù)表達(dá)式，得到閉合電路歐姆定律，也可以通過表達(dá)式類比分析橫軸、縱軸以及斜率分別表示電路的短路和開路狀態(tài)以及原電池內(nèi)阻．

問題2：原電池的外電壓隨外電阻的變化規(guī)律如何？

學(xué)生分析：如圖5所示，通過觀察數(shù)據(jù)表格發(fā)現(xiàn)外電壓隨外電阻增大而增大．

教師演示：為了驗(yàn)證所測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否與上述學(xué)生分析的結(jié)果一致，點(diǎn)計(jì)算表格控制中的繪圖按鈕，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)離散化坐標(biāo)紙中，其中橫軸代表外電阻R，縱軸代表外電壓U1，再點(diǎn)擊擬合按鈕選擇3次擬合選項(xiàng)(三階泰勒展開)就可得到如圖7所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條曲線跟數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合一致．

圖7 原電池外電壓隨外電阻變化圖

學(xué)生分析總結(jié)：原電池的外電壓先隨著外電阻增大而增大，后面增長趨勢變緩慢最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值．

問題3：原電池的輸出功率隨外電阻的變化有怎樣的規(guī)律？

學(xué)生分析：如圖5所示，通過觀察數(shù)據(jù)表格發(fā)現(xiàn)輸出功率隨外電阻增大先增大達(dá)到最大值后再減?。?/p>

教師演示：為了驗(yàn)證所測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否與上述學(xué)生分析的結(jié)果一致，點(diǎn)計(jì)算表格控制中的繪圖按鈕，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)離散化坐標(biāo)紙中，其中橫軸代表外電阻R，縱軸代表輸出功率P，再點(diǎn)擊擬合按鈕選擇3次擬合選項(xiàng)(三階泰勒展開)就可得到如圖8所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條曲線跟數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合一致．

圖8 原電池輸出功率隨外電阻變化圖

學(xué)生分析總結(jié)：當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí)，原電池輸出功率達(dá)到最大值．

問題4：原電池輸出效率隨外電阻的變化有怎樣的規(guī)律？

學(xué)生分析：如圖5所示，通過觀察數(shù)據(jù)表格發(fā)現(xiàn)原電池輸出效率隨外電阻增大而增大．

教師演示：為了驗(yàn)證所測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否與上述學(xué)生分析的結(jié)果一致，點(diǎn)計(jì)算表格控制中的繪圖按鈕，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)離散化坐標(biāo)紙中，其中橫軸代表外電阻R，縱軸代表輸出效率η，再點(diǎn)擊擬合按鈕選擇3次擬合選項(xiàng)(三階泰勒展開)就可得到如圖9所示圖像，從圖中我們可以很清楚地看到一條曲線跟數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合一致．

學(xué)生分析總結(jié)：原電池輸出效率先隨著外電阻增大而增大，后面增長趨勢變緩慢最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值．

環(huán)節(jié)三：理論公式推導(dǎo)電源外電壓、輸出功率、效率隨外電阻變化的函數(shù)關(guān)系式.

教師接著引導(dǎo)：在黑板上理論推導(dǎo)．

(1)原電池電壓外U1與外電阻R的函數(shù)為

當(dāng)R增大時(shí)，U1也增大；當(dāng)R→∞，U1→E；與數(shù)值擬合結(jié)果幾乎一致．

(2)原電池輸出功率P與外電阻R的函數(shù)為

當(dāng)0

(3)原電池輸出效率η與外電阻R的函數(shù)為

當(dāng)R增大時(shí)，η也增大；當(dāng)R→∞，η→1；與數(shù)值擬合結(jié)果幾乎一致．

4 評價(jià)

本教學(xué)案例借助DIS系統(tǒng)中的電學(xué)傳感器直觀地測量原電池的電學(xué)參量，特別是可以測量內(nèi)部電壓，實(shí)驗(yàn)裝置簡單易操作，充分體現(xiàn)了信息與教育的融合.通過課堂演示增強(qiáng)學(xué)生對自主探究實(shí)驗(yàn)的興趣，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，結(jié)合DIS配套軟件將實(shí)驗(yàn)所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)擬合，生動(dòng)形象地展現(xiàn)了物理過程的變化規(guī)律，極大地提高了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及分析能力，充分展現(xiàn)物理情景，激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)學(xué)生自主探究物理規(guī)律的核心素養(yǎng)．

5 總結(jié)

本文結(jié)合實(shí)際課堂教師演示實(shí)驗(yàn)，提出簡單、易于操作的實(shí)驗(yàn)方案．借助DIS系統(tǒng)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量應(yīng)用進(jìn)行了案例分析，希望能夠激勵(lì)更多的教師在課堂教學(xué)中使用DIS系統(tǒng)，充分體現(xiàn)信息化教育，大膽提出有創(chuàng)意、又簡單、易于操作的實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)．充分發(fā)揮DIS系統(tǒng)優(yōu)勢與高中物理實(shí)驗(yàn)深度融合，提高教學(xué)效率．

6 展望與建議

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察分析能力和探究物理規(guī)律能力．結(jié)合DIS系統(tǒng)中傳感器采集數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)課堂信息化元素，而實(shí)際課堂教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)少之又少，因此教師應(yīng)該重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，想方設(shè)法讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)物理情景，借助信息化工具與真實(shí)物理情景教學(xué)的深度融合激發(fā)學(xué)生探究規(guī)律的欲望．