DIS实验在高中物理教学中的应用.pdf

启 示经 验9/2023物理学科是一门以实验为基础的自然科学，实验教学作为物理学习的重要组成部分，在教学活动中发挥着重要的意义与作用。长期以来，传统的实验方式在教学中居于主导地位，教师演示实验、学生分组实验的形式较为常见，然而这种实验教学模式容易导致实验教学耗时长、程序固化，难以提高学生的主动性与创造力，与新课程改革下的教育理念相悖。随着社会的进步与科学技术的发展，教育资源在不断更新中实现突破，教育观念在创新中迎来了新发展，其中物理实验的重要性得到更大的肯定，高中物理课程标准更是提出“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用”。由此可见，科学技术在物理实验教学中的应用是大势所趋，其中以传感器为主的数字化实验（DIS）最早在上海市的学校应用推广，取得了比较理想的教育成果。作为物理学科的教学者，应当紧跟时代的脚步，应用新技术，深入认识和理解DIS资源，挖掘DIS资源应用的优势，并遵循合理的原则，践行科学的路径，使其更好地在教学实践中得以推广，让高中物理实验教学绽放新光彩。一、DIS实验在高中物理教学中应用的意义与作用（一）能够有效提高物理实验数据采集效率在传统的高中物理实验教学中，实验过程耗时长，诸多人为因素的干扰容易导致教学效率低、效果不理想，同时在实验中对大量的数据进行分析与研究也存在一定的困难。导致物理实验对不少学生而言存在着“形式大于意义”的问题，难以推动学生的思维活动向更深处拓展。针对这一问题，DIS 实验的应用与推广就显得尤为重要，教师可以在实验教室中通过计算机和相应的数据处理软件建立数字实验室，从而提高实验室内数据收集和计算的效率。DIS 实验在很大程度上排除了人为因素的干扰，通过传感器实现数据信息的采集，也可以对实验中的大量数据进行高效率分析与研究，学生能够从智能化的信息分析系统入手进行观察，在一定程度上打破学生的僵化思维，实现学生自主学习能力的切实性提升。（二）有利于保证实验数据和计算结果的准确性高中物理实验教学的质量在一定程度上也是由实验器材所决定的，然而部分实验设备容易在长期使用过程中出现损耗，对实验结果产生一定的影响。以“力学实验”为例，其中弹簧秤、刻度尺等属于易消耗的实验器材，很有可能因为长期使用而影响实验结果，既无法为学生呈现一个较为“完美”的实验结果，还可能使学生的理解与思考产生误区。而DIS实验则更多依靠传感器采集实验数据，其应用与推广可以在一定程度上改变这一现状，保证了实验结果的准确性。（三）提高学生学习效率，促进学习能力持续发展在传统的高中物理实验教学中，教师要时刻关注学生的注意力情况，并引导学生进行深入思考与学习，而DIS实验的应用正好顺应了这一教学要求。首先，DIS实验与传统的实验模式相比具有真实性与生动性的特点，这些特点在很大程度上满足了学生的好奇心，调动了学生的学习热情，有利于学生集中注意力，提高课堂学习效率。比如，在教师进行“作用力与反作用力”相关的演示实验时，学生可以清晰地通过多媒体设备感受到其大小、方向的特点，在形成深入理解的同时，更渴望深层探究，从而实现从“被动接受”到“主动探索”的思维转变。另外，DIS实验能够全方位、多角度分析与处理问题，帮助学生摆脱思维桎梏，真正将所学知识内化于心，能够针对不同问题的要点进行灵活应用。以“测量重力加速度”的演示实验为例，DIS设备可以根据这一实验设计出四种方法，包括位移传感器测定法、光电门传感器测定法、光电门传感器单摆测定法、二维传感器平抛运动测定法。这四种方式在设备、操作、原理等方面既DIS实验在高中物理教学中的应用福建省福州教育学院附属中学江莹186TIANJIN EDUCATION经 验启 示经 验有联系又有不同，教师可以根据学生的具体学习情况更有针对性地展开教学活动，促进其学习能力的持续发展。二、高中物理DIS实验的教学原则（一）简单性原则在DIS实验开展过程中，无论是探寻现象还是验证规律，教师都应在设计物理实验时遵循简单性原则。简单性原则要求物理实验的目的清晰明确，方案尽可能简单便捷，器材尽可能操作方便，只有这样，学生的畏难情绪才能逐渐消除，避免部分学生因为个人能力不足而过度依赖教师的帮助，或者出现在小组实验中“等结果”的现象，确保每一个学生对实验有热情、有信心，让DIS实验的应用真正取得应有的成效。（二）直观性原则在新课程改革的背景下，以人为本的教育理念深入人心，体现在教育活动的方方面面，物理实验的教学活动自然也需要保障学生的主体地位。教师要清楚地认识到高中阶段学生的思维特点，以形象思维为主，抽象思维的发展有待成熟。相较于传统实验模式，DIS实验的最大特性之一就在于学生可以从计算机屏幕上直观地感受规律建立的过程，因此教师要充分发挥DIS实验的这一优势，确保实验教学的直观性，但切勿由于一味地追求新颖而将原本简单的实验复杂化。DIS演示实验为学生创设了一定的学习情境，因此教师也需要在实验演示的过程中将直观的结果清晰地呈现给学生，确保学生真正理解与掌握。（三）切适性原则在DIS实验推广与应用中，教师需要始终坚持以课程标准理念作为支撑，但是这并不意味着教师要全部摒弃传统的教学理念与方法，而是真正做到取其精华、去其糟粕。教师要遵循切适性原则，以顺应课程改革中应用现代科学技术理念，在条件合适的情况下，尽可能多地用DIS实验演示，但是教学设计要遵循学生的学习规律与需求，让实验为授课服务，要恰到好处。三、DIS实验在高中物理教学中的应用路径（一）立足常规实验，进行优势互补长期以来，常规物理实验作为一种重要的教学方法，在教学活动中发挥了重要作用和意义。目前，每所高中都有专门的物理实验室和全套教学设备，教师在传统实验教学方面拥有丰富的经验。然而，传统实验依然存在着一些缺点，如操作过程繁琐、数据处理时间长、数据不准确、实验误差大等，这些都会对学生的学习产生一些影响。在此基础上，教师可以利用传统实验的优缺点，如数据准确性、处理速度、实验结果可视化和易用性，将DIS实验与传统实验相结合，推动教学效率与成果的双重提高。比如，在高中物理实验“电阻定律”的实验教学中，实验所使用的器材依然为常规实验中出现的滑动变阻器、学生电源、合金丝等，但是教师可以将常规实验中的电流表与电压表替换为 DIS 设备中的电流传感器与电压传感器，并将其连接在数据采集机及计算机上。在这一实验设计中，无论是实验原理还是方案都与传统的常规实验相同，但是DIS技术的应用改变了传统读取电流表与电压表的方式，而是通过传感器和数据采集器读取电流表与电压表的数值，在保证数据读取准确性与精准性的同时，大幅缩短了读取数据所需要的时间，从而在很大程度上达到减少实验误差的目的，确保导体电阻与长度以及截面积之间比例关系的可靠性。再如，在“测量电器的电容”这一实验教学中，如果学生想要运用常规的实验方法测量电容器的带电量是一件比较困难的事，但是如果教师采用DIS技术中的整合模式，这个问题便可以迎刃而解将电压传感器并联到电阻器两端，并通过数据采集器连接到计算机上，在实验过程中，通过对电容器的充电后放电，借助DIS 软件进行计算，就可以轻松算出电容器的电容。总而言之，这两个实验都立足于常规实验，通过取长补短的方式实现了优势互补。常规实验器材的应用加深了学生的认识与理解，DIS技术的引入则改变了数据测量不准的难题，让高中物理实验教学迎来新的发展机遇。（二）着眼实验难点，实现逐步改进在DIS技术应用的过程中，并非所有传统常规实验都能够与DIS技术进行直接整合，针对这一问题，教师可以根据实验特性以及实验中存在的重难点，就常规实验中的器材或原理进行适当改进，并在此基础上运用 DIS 设备采集和处理数据。传统187启 示经 验9/2023常规实验中较为棘手的点往往包括以下几个：所需物理量无法通过实验器材进行测量；实验原理的理解难度较大；实验测量过程难以控制，实验误差较大。首先，针对所需物理量无法通过实验器材直接测量的情况，就可以应用DIS 传感器来测量，将传统实验中间接测量方法转变为直接测量。牛顿第三定律在初中阶段的要求如下，对于相互作用力方面，力的三要素大小，方向，作用点，对于等大的特点没有做定量的实验，可以初步用对拉弹簧测力计的实验进行证明。课标也没有提出具体要求。而到高中阶段，考题中经常出现有关相互作用力的考查，课标没有提出具体要求，仅在“相互作用与运动定律”方面提出通过实验，了解力的合成与分解，知道矢量和标量；能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题。所以学生对相互作用力这方面的理解其实只是停留在死记硬背上，并不能真正的领会，作为实验学科，通过实验探究得出结论是最好的方法。此时利用 DIS实验能够通过数据图表把相互作用力时时刻刻所对应的大小关系呈现在学生面前，实验操作方面我们可以连接力传感器，这样通过图表，可以感受到相互作用力的大小是相等的，那么这方面的重点和难点就能突破，使学生切实感受相互作用力的大小相等这个特点。其次，在传统的物理实验教学中，一些物理量是依据实验测量数据并利用物理原理计算得到的，不少学生对其中的物理原理存在着一定的理解困难，导致实验教学效率低下、成果不佳。针对这一情况，DIS 的引入可以改变测量方法，从而改变实验原理，让学生的理解与思考更轻松。在自由落体运动的教学过程中，传统的实验用打点计时器测出位移，然后通过运动学的公式进行分析和运算得出它是匀加速直线运动，进而得出自由落体运动的相关规律。那么如果能用DIS系统和位移传感器，拟合成位移时间图像，就可以得到二次函数的关系。如果能够对拟合的二次函数进行求导，那么导出的图线为直线，这就直接可以得出速度与时间的线性关系，其斜率就是物理运动的加速度。这样简化了实验步骤，也利于学生理解和感受自由落体运动的规律。最后，在传统的常规实验教学中，有的实验方法过于理想化，存在测量不够全面、过程不易控制、测量误差较大等多种问题。而 DIS 技术的应用则能够解决这些问题，为实验“保驾护航”。以高中物理实验“用弹簧测力计测量滑动摩擦力”为例，在传统的实验过程中，弹簧秤的读数往往难以控制，测量过程较不稳定，导致实验结果出现误差。DIS 技术的应用则可以将弹簧测力计改变为力传感器，从而获得更稳定可靠的滑动摩擦力数据。（三）整合教学资源，实现整体优化在DIS技术的应用实践中，作为高中物理教师，需要对相应的实验资源进行优化与整合，并在此过程中不断改进物理实验教学方案，最终实现教学效率与成果的双重提升。首先，在DIS实验过程中，尽可能从全方位、多角度来强化数据采集的自动化功能，比如，可以通过传感器实现装置与计算机之间的连接，并利用自动化收集数据来提高数据采集效率。其次，在DIS技术应用的过程中，要注意强化计算机图像信息的呈现功能，调动起学生的好奇心与求知欲，提高他们的参与度，引导学生参与图像信息的分析工作，让计算机资源发挥辅助性作用，推动学习进程。可以说，在信息化时代的背景下，物理实验教学也应当顺应时代发展的脚步，彰显信息化特色。DIS技术在物理实验教学中的应用，对师生双方而言既是学习与发展的机遇，也是面临的挑战，只有在教学设计中合理整合教育资源，并致力于推动整体性优化，DIS技术才能在实验过程中更好地发挥作用，取得更理想的成果。四、结语DIS技术的出现有利于提高实验数据采集的准确性与效率，推动学生学习能力的发展。基于此，作为教育教学者，应当在DIS技术应用的过程中遵循简单性、直观性与切适性原则，通过优势互补、改进重难点、整合教学资源、推动整体优化等策略，让DIS技术真正在物理实验中发挥奇效。注：本文系福建省教育科学“十四五”规划2022年度“协同创新（含帮扶项目）”专项课题“新课程标准视域下初中物理DIS资源的开发和应用”（课题立项批准号:Fjxczx22-247）的研究成果。（宋行军）188