高中物理教学论文剖析实验优势发挥教学潜力──DISLab与中学物理教学整合初探(一)

1剖析实验优势发挥教学潜力──DISLab与中学物理教学整合初探（一）信息技术与物理教学的整合，体现了物理教学的现代化，是物理教学的改革方向之一。在这种背景下，以传感器技术以及软件技术为核心的DISLab应运而生。DISLab是综合运用包括硬件、软件在内的信息技术手段构造的，集实验数据采集、显示、分析、处理等功能于一体的实时实验系统，它的使用成功克服了传统实验的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。一、DISLab简介DISLab是英文DigitalInformationSystemLaboratoryd的缩写，意为“数字化信息系统实验室”。它是利用多媒体信息技术辅助实验教学的软硬件一体化的教学实验系统。主要包括数据采集器、多种教学专用传感器以及安装了配套专用软件的计算机。传感器用来快速、高精度地实时采集实验数据，并将其转变为电信号传输给数据采集器；数据采集器是连接传感器和计算机的桥梁，是整个系统的核心，对传感器传输的电信号进行数/模转换和数据分析，然后将结果传输给计算机进行显示和实时处理。DISLab是集物理测量、自动控制、数据记录、智能化数据分析和测量结果多模显示等功能于一体的综合性物理实验平台，充分发挥了实验仪器作为实验信息的产生者、传播者、接受者和处理者的作用。[1]它的主要技术特征是：多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操作平台以及强大的智能化处理功能。借助这样的技术支撑，可以使我们对物理现象进行多角度的感知和多视角的探究，促进物理教学方式和学习方式的转变。[2]二、DISLab的实验优势实验系统的数字化有效的实现了信息技术与物理教学的整合。引入DISLab后的物理教学体系并没有形成“断层”，数据依然来自传统的实验装置，但在数据采集和处理方面却得到了显著的改观。上海市在第二次课程改革中，就数字化实验系统应用于物理教学的情况进行了深入、透彻的调研分析，将实验中的实验准备时间、数据处理时间、探索研究时间进行了细致的统计，统计情况如图1：由图1可见，与传统实验相比，DIS实验在数据处理上节省了大量时间，有利于引导学生自主探究，进行广泛的体验、合作与交流。DISLab的这一突出优势主要源自其数据的自动化采集、显示和智能化处理两大功能。（一）数据的自动化采集与显示2DISLab支持传感器“即插即用”，实现并行采集，可同时支持四只相同或不同种类的传感器。可自动显示传感器所属的数据通道序号、传感器类别、数值及单位，系统中的记录表格，提供了数据的自动记录功能，可以设置数据记录的时间间隔，实现了四路并行显示、独立显示、多模显示（数字、示波、指针多种显示模式）、放大显示、多路叠加显示。通过传感技术，弥补了传统实验仪器的多个测量空白，解决了许多传统仪器想做但做不好的实验。1．一般物理量的采集与显示对一般物理量，DIS系统可以进行快速、精确的测量、记录、处理，尤其对运用传统实验仪器难以测量的物理量同样可以精确测量，包括声学、光学、运动学、磁学实验所要求的基本数据。例如，在“验证单摆的周期性”实验中，传统实验要求学生用秒表计时的同时用肉眼观察单摆经过平衡位置的次数。这样自然会因人为引入误差，并且需要学生全程观察记录，而利用DIS系统的光电门传感器就使实验轻松多了。图2为实验装置图，图3为实验结果。2．微电流的数据采集与显示DIS实验系统提供一个微电流传感器，其精确程度可达到0．1μA，测量范围可降低到-1μA～1μA，大大方便了我们对诸如水果电池电流、人体电流等微小电流的测量。在“研究地磁场”的实验中，用磁传感器探测各个方向的磁感应强度，所得数据如表1：将微电流传感器的探头与环形线圈两头连接，让线圈垂直于水平面转动，选择“示波”方式显示地磁场的感应电流，得到的图4。并且可以设置探究性问题，如：为使现象明显，对线圈匝数有什么要求？线圈未加屏蔽，对实验结果会有什么影响？3另外，利用微电流传感器可实现实验仪器的微型化。如：研究单匝线圈产生的感应电流（如图5），用单匝线圈研究楞次定律。3．过程量的数据采集与显示通过设置数据采集的时间间隔，可以准确、迅速地采集各种变化的物理量的数据，并进行多模显示，观察其变化趋势。如：用位移传感器可以记录位移随时间的变化，并且通过x-t图像分析速度的变化（如图6）。用温度传感器可以分析各种物体状态变化过程中温度的变化规律，如图7为石蜡熔化过程的图像。4．瞬间量的数据采集与显示DISLab在数据采集方面更突出的优势是可以对瞬间量进行准确测量和显示，把诸多只能感性处理的问题提到了量化的高度。如：我们可以利用力传感器研究碰撞过程中的相互作用力，研究最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系（如图8），用光电门传感器研究瞬时速度，用电压传感器研究自感现象（如图9）、电容器充放电现象等。5．图线微小变化的放大显示系统的“自由坐标”功能可以对图象进行横向和纵向拉伸放大，并且支持鼠标拖动。我们可以4利用此功能完成对图象微小变化的显示。如：在“利用位移传感器研究自由落体运动”的实验中，由于物体下落时间极短，获得的图线几乎与x轴垂直。我们对初始图线进行横向拉伸后得到图10所示的图线，大大方便了对图线进一步的处理。（二）数据的智能化处理DISLab具有强大的计算和图形分析功能，可以对采集的数据进行智能化处理。1．物理量的计算在许多实验中，数据计算往往比较繁琐，复杂的数据也决定了手工绘图的困难，难以对图形进行深入细致的分析。运用DIS实验系统中的“计算表格”功能，可以自定义变量和公式，支持类似Excel的大数据量复杂计算，系统自带物理表达式，并且提供了求平均值、积分、求导等功能。例如，在“研究电源的输出功率和电源效率”的实验中，我们可以自定义变量“R”、“E”，输入固定值“I2”，设置表示电源功率、输出功率和电源效率的公式。表2为部分实验数据。并且可以得到电源输出功率、电源效率与外电阻的关系图线（如图11、图12）52．图线的定性分析运用实验数据的示波显示，可以分析物理量之间的变化关系，促进了物理规律和现象的可视化，既可以验证理论的正确性，又可以运用理论解释实验现象。如：在“研究电源的输出功率与电源效率”的实验中，通过电源输出功率与外电阻的关系图线（图10），可以得出电源的输出功率存在一个最大值，这个最大值的存在正好验证了理论计算中当R=r时，电源输出功率最大的结论。通过电源效率与外电阻关系图线（图11），可以看出，随着外电阻的增大，电源效率不断提高，当R?r时，电源效率近似为100%的结论。3．抽象概念的定量分析在传统实验中，由于实验条件的限制，老师对许多抽象概念的讲解只能凭借尽可能形象化的语言，但是语言描述不能代替对现象和事实的直接感知。[3]而运用DIS实验系统则可以对许多抽象概念进行定量分析。如：碰撞研究是传统力学实验的难点，一方面在于缺乏可靠的力测量手段，另一方面在于碰撞是典型的暂态过程，现象转瞬即逝。如果使用DISLab可以构造出理想的研究装置（如图13），得到的“F-t”图线如图14。对图线与坐标轴所围面积进行积分，所得数值作为碰撞过程中的冲量，然后配合光电门传感器测得的速度代入动量守恒定律的公式进行验证。[4]教师还可以引导学生改变实验条件，如小车质量、碰撞速度、碰撞介质等，对实验进行深入的研究。4．图线拟合，探求规律在计算表格中，数据来源选择“传感器”或者“计算表格”，在“坐标绘图”中选择x、y轴对应的物理量，得出图线，对图线可以进行线性拟合、二次多项式拟合、三次多项式拟合、积分、求导等操作。系统还可以通过图线自动计算出图线的表达式，探求实验规律。例如，在“动能大小研究”的实验中，系统开发了专用软件，不仅测量和记录了实验数据，6还提供了专门的“s与m、v”关系窗口，鼓励学生大胆猜想，用图线拟合工具进行验证（如图15、16、17）。通过比较可得出，只有选择“mv2”时，才能获得如图17的数据点排列，从而推断出动能大小和m、v的关系为：E=kmv2。[5]三、结论DISLab强大的数据采集和智能化处理功能，使教师和学生从数据读取、记录、公式计算、图线描绘等烦琐的简单劳动中解脱出来，从而留有充足的时间进行科学探究。使用DISLab做实验，能够让学生认识到计算机所蕴涵的巨大的教学潜力，进而掌握计算机这样一个可以为自主学习、终身学习提供强有力支持的工具。参考文献:[1]张德启．物理实验教学研究．北京：科学出版社，2005．8[2]舒信隆．DIS实验技术与研究性学习的整合．物理教学，2007，（5）：13[3]乔际平，邢红军．物理教育心理学．南宁：广西教育出版社，2002．3[4]冯容士．DISLab通用软件与实验教学．物理教学，2005，（6）：13[5]冯容士．基础型教材专用软件与实验教学（上）．物理教学，2005，（5）：18/DIVdiv