DIS系統(tǒng)在物理實驗教學中的應用與思考

徐聰

《全日制義務教育物理課程標準》提出：“物理課程應注意讓學生經(jīng)歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題和解決問題的能力，……鼓勵在物理教學中合理運用信息技術?！?/p>

可見，物理學科教師應樹立把科學探究作為改革傳統(tǒng)教學模式的重點。如何在實驗教學中創(chuàng)建合理的科學探究平臺，以期達到更有效地對學生終身學習愿望、科學探究能力、創(chuàng)新意識以及科學精神的培養(yǎng)，這從某種程度上決定了物理教學的效果。

上海市二期物理課程改革更加突出實驗教學，要求實現(xiàn)實驗手段多樣化和現(xiàn)代化。然而傳統(tǒng)的實驗器材與設備不僅很難滿足學生發(fā)展的需要，有些還成為阻礙實驗教學質量提高的瓶頸。

以滬教版八年級第一學期第三章《二力平衡》一課為例，“力的平衡”是力學重要知識點，在現(xiàn)行教材中，由實驗探究得出“二力平衡的條件”是本節(jié)的重點內(nèi)容，一個傳統(tǒng)且常用的實驗設計是將一小車模型放在水平木板上，小車兩側通過細線連接鉤碼，利用定滑輪將鉤碼的重力轉換成對小車的拉力。通過對該實驗的全過程進行梳理，不難發(fā)現(xiàn)存在幾個不夠嚴謹之處。

學生通過該實驗探究，應當?shù)贸霎斠粋€物體只受二力時，若處于靜止的平衡狀態(tài)，兩個力的大小必須相等。但因為小車并非只受水平方向上的二力F1和F2，在豎直方向上還受到重力和支持力，需要教師作出必要的解釋。另外，該實驗難以探究物體處于勻速直線運動時，水平方向上兩個力的特點，因為小車運動后會由于受到阻力而減速，并非做勻速直線運動，這使得該實驗的說服力大大降低。

當小車轉過一定的角度，二力不在一條直線上時，小車不能平衡，說明二力在同一直線上也是二力平衡條件之一。但在小車轉動時，同樣會受到摩擦力的干擾，學生實際實驗探究過程中，會發(fā)現(xiàn)小車即使和細線不再一條直線上卻仍然靜止的情況。這也需要教師作出必要的解釋，并對學生實驗做進一步指導。

該實驗依據(jù)的是小車兩側受到繩子的拉力，而這二個力與所掛質量相等的重物的重力相等，從而推斷出小車兩側所受拉力相等。由于學生還沒有關于力的充分的基礎知識作準備，存在著諸如：滑輪是干什么的？為什么重物對小車的拉力等于重物的重力？……等問題，在這些問題沒有搞明白之前，學生觀察實驗時大都會感到困惑不解，很難直觀地理解二力平衡的原理。

綜上所述，該傳統(tǒng)探究實驗存在較大的缺點，那么能否設計出一個更合理的“二力平衡條件”探究實驗呢？DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)或許可以給出更好的方案。

DIS是Digital Information System的縮寫，是一種用于實時采集數(shù)據(jù)的智能化系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機系統(tǒng)及配套軟件構成。DIS運用不同的傳感器進行數(shù)據(jù)采集并通過A/D轉換輸入計算機，由計算機通過相應的軟件對信息進行數(shù)據(jù)和圖形分析處理。在“二力平衡”一課中，與傳統(tǒng)實驗手段相比，應用DIS這一現(xiàn)代信息技術進行教學可以對上述問題作出更好的改進。

1.DIS實驗系統(tǒng)通過傳感器提高數(shù)據(jù)精度

DIS實驗系統(tǒng)能摒棄一些傳統(tǒng)實驗中誤差很大的實驗器材，減少因為測量器材的誤差帶來的實驗誤差。本實驗中，利用力傳感器進行“靜止”物體所受二力的測量，可以精確到小數(shù)點后0-2位，并可根據(jù)需要對精確度進行選擇，數(shù)據(jù)一目了然。

2.DIS實驗系統(tǒng)大大提高了實驗的速度

傳統(tǒng)實驗在處理數(shù)據(jù)方面總有力不從心的感覺，因為缺乏有效的手段來處理數(shù)據(jù)，所以往往不要求在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上來做研究，而數(shù)據(jù)數(shù)量少又不符合科學研究的規(guī)律，甚至有時候難以得出正確的實驗結論。

而由于DIS實驗系統(tǒng)具備“實時采集”的功能，數(shù)據(jù)采集、處理和圖線描述都由計算機完成，所以師生們可以從數(shù)據(jù)讀取、記錄，公式運算和圖線描繪等繁瑣的簡單勞動中解脫出來，從數(shù)據(jù)的數(shù)量和數(shù)據(jù)的真實性來說都比較理想；且每隔一定時間進行自動采集并記錄，大大提高了實驗的效率。

3.DIS憑借數(shù)據(jù)處理技術使結果顯示多樣化

物理語言不僅包括數(shù)字、公式、概念等，還包括“圖像”這一重要的描述方式。教材中關于物體的運動規(guī)律，如：振動和波形圖，路程-時間的關系等，都大量應用了圖像。但受限于傳統(tǒng)的實驗方法，教師和學生在實驗中獲得數(shù)據(jù)并轉化為圖像相對繁瑣費時，反而導致在物理學習中疏于應用這一方式。

在“二力平衡”實驗中，利用兩個力傳感器，并通過軟件將實驗中力的大小實時動態(tài)顯示，并建立坐標軸，橫軸為t軸，縱軸為兩個拉力。二個力的大小關系盡顯圖中。促進了學生以物理學的思維方式去讀懂圖線、建立模型。

4.DIS Lab憑借傳感技術彌補傳統(tǒng)實驗中多個測量空白

由于DIS實驗系統(tǒng)相對完善的數(shù)據(jù)處理軟件，可以設計出很多借助傳統(tǒng)實驗裝置想做而做不好的實驗。如以往的二力平衡實驗很難做出“勻速直線運動”狀態(tài)下物體所受力的特點，不僅因為物體運動時，用彈簧測力計很難讀數(shù)，更因為很難控制物體做勻速直線運動。

在利用DIS系統(tǒng)進行這一難點突破時，可以利用小電動馬達豎直向上拉起鉤碼，并利用光電門傳感器、分體式位移傳感器測量鉤碼通過的路程和速度，并通過“線性擬合”等功能，以圖像的方式顯示出物體的運動狀態(tài)——即學生熟悉的s-t圖像，以及拉力和重力的大小關系。通過這種方式，學生能更容易得出勻速直線運動狀態(tài)下的平衡力條件。

綜上所述，DIS實驗系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)實驗具有操作簡單方便、自動化程度高等諸多優(yōu)點。使用傳感器做實驗便于形成直觀的、反映物理規(guī)律的圖像，便于學生深入研究物理現(xiàn)象和規(guī)律。

但我們也應當看到，并非所有初中物理教學都真正適用DIS實驗系統(tǒng)。教師不應盲目亂用DIS實驗，更不能拋棄傳統(tǒng)實驗。因此，必須適量、適度地使用DIS實驗，使DIS系統(tǒng)和傳統(tǒng)實驗相結合，充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗和DIS實驗的優(yōu)勢，讓DIS系統(tǒng)更好地為初中物理教學服務。