基于校本課程下的DIS創(chuàng)新型中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)

陳煒烜

摘 ? 要：本文探討利用高一校本課程的四個(gè)學(xué)段的時(shí)間，師生共同開發(fā)DIS創(chuàng)新型中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)案例方面的實(shí)踐和體會(huì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化信息系統(tǒng);校本選修課程;中學(xué)物理;DIS創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS是Digital Information System的縮寫，是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)軟件構(gòu)成的信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的諸多不足之處，將信息技術(shù)和傳感器相結(jié)合應(yīng)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作能力、觀察能力，分析和解決問(wèn)題能力，創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)等。隨著科技的不斷發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多地利用新技術(shù)和設(shè)備，如DIS實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中以其獨(dú)特的功能越來(lái)越受到重視。使用和開發(fā)DIS物理實(shí)驗(yàn)案例的研究，是非常必要的。本文介紹在課題研究的過(guò)程中利用高一校本選修課程的四個(gè)學(xué)段的時(shí)間，師生共同開發(fā)中學(xué)物理DIS創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)案例方面的收獲和體會(huì)。

第一學(xué)段：讓學(xué)生熟悉使用DIS器材與其他實(shí)驗(yàn)器材相結(jié)合的操作。典型案例如下：探究彈簧的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與彈力的關(guān)系，將力傳感器代替重物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器的測(cè)鉤向上連接彈簧，手持力傳感器，對(duì)軟件調(diào)零，打開“計(jì)算表格”在計(jì)算表格中，增加變量F，選自定義來(lái)自力傳感器;增加變量x，自定義手動(dòng)輸入;增加變量k，選公式a/b，a為F，b為x;用力拉傳感器使彈簧伸長(zhǎng)，點(diǎn)擊軟件開始測(cè)量，自動(dòng)記錄F值，并手動(dòng)輸入x，軟件自動(dòng)算出k值。改變x多測(cè)量幾組數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊繪圖，選定橫軸和縱軸變量，得到一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一次擬合，發(fā)現(xiàn)擬合線與數(shù)據(jù)點(diǎn)基本重合，且通過(guò)原點(diǎn)，可推斷彈力的大小與彈簧伸長(zhǎng)的距離成正比關(guān)系，用屏幕截圖（圖1）保存圖像。該實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)一步延伸，把彈簧換成橡皮筋，探究出彈力的大小與橡皮筋伸長(zhǎng)的距離成正比關(guān)系。

這一學(xué)段效果較好，學(xué)生能較熟練利用傳感器進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，并積極與老師交流DIS使用過(guò)程中遇到的困難，主要困難有：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)镈IS實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，對(duì)于每個(gè)物理量應(yīng)如何更好地進(jìn)行設(shè)置和測(cè)量;DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制，時(shí)間軸縮放的合適比例等等問(wèn)題，師生都進(jìn)行了詳細(xì)的交流和探討。

第二學(xué)段：整理教學(xué)實(shí)踐中能通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)探索較好的操作方案，并在實(shí)踐中利用DIS實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、增加一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段做不出、做不好的實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效果和效率。本學(xué)段以研究高一“自由落體”為例，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種速度極快的下落運(yùn)動(dòng)，很多教師在授課時(shí)采用教參提供的方法：（1）頻閃照相法，（2）采用重錘加打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的方法。前者只能通過(guò)觀看視頻授課，后者測(cè)量結(jié)果偏差較大，實(shí)驗(yàn)效果也不佳。所以，本課題組在基于DIS實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，兩節(jié)課分別由永安一中的沈老師和我校的陳老師進(jìn)行同課異構(gòu)教學(xué)，并作為福建教育學(xué)院萬(wàn)名骨干教師培訓(xùn)的示范課。

1.沈老師利用朗威DIS中的實(shí)驗(yàn)方法，用位移傳感器測(cè)位移和時(shí)間來(lái)研究自由落體運(yùn)動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)用位移傳感發(fā)射模塊作為自由落體運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)象，位移傳感器接收器固定在鐵架臺(tái)上，當(dāng)傳感器發(fā)射模塊做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，朗威數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件描繪記錄下如圖2的自由落體的“s—t2”圖線。截取一部分圖線，借助軟件功能分析出物體下落的加速度大小。

存在問(wèn)題：位移的測(cè)量應(yīng)從速度為零開始，實(shí)際測(cè)量存在較大誤差;位移與時(shí)間是二次函數(shù)關(guān)系，給學(xué)生分析問(wèn)題以及圖線擬合帶來(lái)較大困難;位移傳感器下落過(guò)程不夠平穩(wěn)，容易翻轉(zhuǎn)，造成測(cè)量上有一定誤差;位移傳感器落地速度較大，容易損壞。

2.陳老師采用自制教具如圖3，原理如圖4所示，在計(jì)算機(jī)軟件中設(shè)定好光柵的寬度d，光柵對(duì)光電門的遮光時(shí)間Δt可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集器同步進(jìn)入計(jì)算機(jī)軟件，利用速度公式v=d/Δt，便可計(jì)算得到該光柵的速度。每個(gè)光柵的速度都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)同樣計(jì)算獲得，在計(jì)算機(jī)軟件中也能同步描繪出如圖5的v-t圖像。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量和擬合v-t圖象，解決了數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，并能精確的測(cè)量出重力加速度，實(shí)驗(yàn)效果明顯、數(shù)據(jù)精確的同時(shí)也大大提高課堂效率，有效激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)。陳新光老師這節(jié)課的實(shí)驗(yàn)方法已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?0151028023l.7）。

第三學(xué)段：在教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一些探究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了趣味實(shí)驗(yàn)探究，典型案例如下.

（1）胸口碎大石

這個(gè)表演最讓人捏一把汗的是一錘子下去，對(duì)人的沖擊力很大。設(shè)計(jì)DIS演示實(shí)驗(yàn)如圖6，控制沖擊效果一樣，接觸面一樣的情況下一塊磚與二塊磚的，對(duì)力傳感器的沖力，由此基礎(chǔ)上，部分學(xué)生還設(shè)計(jì)了緩慢敲擊和快速敲擊的區(qū)別等步驟，進(jìn)一步揭示了胸口碎大石的秘密。

（2）模擬蹦極實(shí)驗(yàn)

蹦極是在人身上栓一根彈性繩，然后從幾十米的高空向下跳的極限運(yùn)動(dòng)。為了研究這個(gè)問(wèn)題，專門準(zhǔn)備了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，用玩偶來(lái)模擬人的蹦極過(guò)程如圖7。用傳感器來(lái)測(cè)量視重，傳感器類似于彈簧測(cè)力計(jì)，可以測(cè)量物體對(duì)它的拉力，然后截圖如圖8，分析蹦極的過(guò)程。

另外，還做了利用聲音傳感器測(cè)量西瓜的成熟度，有的同學(xué)查資料發(fā)現(xiàn)有測(cè)量水果成熟度的傳感器并對(duì)此著手進(jìn)行研究，這些趣味性案例的開發(fā)過(guò)程讓學(xué)生擁有更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，拓展了學(xué)生探究問(wèn)題的范圍和深度，讓物理實(shí)驗(yàn)真正與實(shí)際生活接軌，促進(jìn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰θ轿坏匕l(fā)展。

第四學(xué)段：整理和完善所開發(fā)的DIS探究性實(shí)驗(yàn)案例，并分析DIS案例開發(fā)對(duì)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠绊?。利用高一選修過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生和未參加過(guò)的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試，研究DIS使用對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪男┓矫嬗休^大影響。

測(cè)試過(guò)程設(shè)置如下：分別讓他們探究利用力傳感器探究力的平行四邊形定則，使用兩只力傳感器設(shè)計(jì)好驗(yàn)證方案，選擇粗細(xì)合適的細(xì)線、連接好橡皮筋和繩套，正確使用力傳感器（安裝，調(diào)零、讀數(shù)、記錄）。

通過(guò)老師的觀察及和與學(xué)生的交流，再根據(jù)收集學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量等手段，發(fā)現(xiàn)學(xué)生運(yùn)用DIS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)后，在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作能力、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察和分析能力，尊重實(shí)驗(yàn)結(jié)果和注重實(shí)驗(yàn)事實(shí)等方面有明顯提高。究其原因，由于記錄和處理數(shù)據(jù)方面由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間充裕，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作能力的明顯提高;由于DIS實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)可以做到等時(shí)性（即每相同時(shí)間記錄一次）和超短時(shí)間間隔，有利于研究各種運(yùn)動(dòng)和連續(xù)性物理現(xiàn)象，培養(yǎng)了學(xué)生深入細(xì)致的實(shí)驗(yàn)觀察和分析能力;計(jì)算機(jī)直接讀取數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確可靠，沒(méi)有了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的認(rèn)為修改問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的精神。選修過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生物理能力總體有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但是也有存在問(wèn)題，比如，對(duì)于計(jì)算機(jī)的依賴過(guò)大;計(jì)算機(jī)快速的數(shù)據(jù)處理方式，在一定程度上削弱了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄和處理數(shù)據(jù)的基本功等等。因此，我們認(rèn)為在高中的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)該做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，在恰當(dāng)?shù)倪x用DIS實(shí)驗(yàn)同時(shí)也不能忽視傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段。

綜上所述，本課題組利用校本課程為平臺(tái)，開發(fā)了大量DIS創(chuàng)新型中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步分析論證DIS案例的開發(fā)過(guò)程對(duì)學(xué)生各種實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠绊懀瑥亩鴮⑺芯康某晒笇?dǎo)性地用于提升高中生物理實(shí)驗(yàn)各方面的能力。