DIS系統(tǒng)在物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用

佟蕾

【摘 要】本文介紹了DIS系統(tǒng)在中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，利用DIS系統(tǒng)操作演示實(shí)驗(yàn)可以動(dòng)態(tài)展示實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)處理方式多樣，有利于學(xué)生深入理解物理概念。在實(shí)驗(yàn)的過程中能實(shí)時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)圖像，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，為探究式教學(xué)節(jié)省了時(shí)間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】DIS系統(tǒng)；演示實(shí)驗(yàn)；探究教學(xué)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一種以計(jì)算機(jī)、傳感器和數(shù)字采集器為主的DIS（Digital Information System）數(shù)字化信息系統(tǒng)正在逐步走進(jìn)中學(xué)物理課堂，服務(wù)于課堂教學(xué)。DIS系統(tǒng)是利用電腦做終端，通過連接數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和傳統(tǒng)儀器共同完成物理量的測(cè)量，觀察物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律，是新一代智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，其工作原理如圖1。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比較，它有很多優(yōu)勢(shì)，例如測(cè)量精度高，處理速度快，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)豐富，圖像形象生動(dòng)，不僅節(jié)省了大量的課堂教學(xué)時(shí)間，還可以拓展課外實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和創(chuàng)新意識(shí)。[1，2]DIS系統(tǒng)可以說是信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合。本文就幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的案例來介紹DIS系統(tǒng)在物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用。

圖1 DIS系統(tǒng)工作原理圖

1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程，深入理解概念

DIS系統(tǒng)不僅可以完成所有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且實(shí)驗(yàn)過程更為簡(jiǎn)便、直觀，特別是其動(dòng)態(tài)的展示實(shí)驗(yàn)過程，即時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以觀察所得圖像，分析圖像特征，總結(jié)物理規(guī)律，能幫助學(xué)生更好的理解物理概念和物理規(guī)律。

如傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證牛頓第三定律，通常選兩只彈簧測(cè)力計(jì)，然后互相對(duì)拉，看兩個(gè)測(cè)力計(jì)的示數(shù)是否相同。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生無法同時(shí)觀看兩個(gè)側(cè)力計(jì)的讀數(shù)，這樣就給實(shí)驗(yàn)帶來了偶然誤差，同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法展示作用力和反作用力的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。而利用DIS系統(tǒng)的力傳感器，設(shè)置兩個(gè)通道，用正負(fù)表示方向，可以形象的表現(xiàn)出作用力和反作用力的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，如圖2。

圖2 作用力和反作用力圖像

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，處理方式多樣

DIS系統(tǒng)中的傳感器包括力、運(yùn)動(dòng)、電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲、磁等十多種，可測(cè)量的物理量十分豐富。除了傳統(tǒng)儀器可以測(cè)量的力、電等物理量，還有一些是傳統(tǒng)儀器無法測(cè)量的，如聲波、磁場(chǎng)等。同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的傳感器分辨率高，而且有多個(gè)量程，如溫度傳感器的分辨率為0.01°C，量程-50°C～+250°C；雙量程電壓傳感器分辨率為1mV/0.01V，量程-1.5V～+1.5V/-15V～+15V等。采集周期最短為20μs，頻率達(dá)到104Hz。

在數(shù)據(jù)顯示方面，在計(jì)算機(jī)上對(duì)于連續(xù)采集的數(shù)據(jù)有圖像、表頭或數(shù)據(jù)三種不同的數(shù)據(jù)顯示方式；同時(shí)可以對(duì)生成的曲線擬合公式，用于數(shù)據(jù)分析。

如用DIS系統(tǒng)研究通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)。將磁傳感器置于通電螺線管的一端，然后沿軸線方向勻速進(jìn)入，得到其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像（圖3）。通過圖像可以得出以下結(jié)論：（1）螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)是呈對(duì)稱分布，中間部分磁場(chǎng)最強(qiáng)，兩端磁場(chǎng)較弱；（2）螺線管中間部分可以近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖3 B-t圖像

圖4 B-I 圖像

改變實(shí)驗(yàn)中螺線管中電流的大小，將磁傳感器放置于螺線管內(nèi)部固定位置，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化關(guān)系，得到B-I曲線（圖4）。圖4中清晰的看出B與I成正比關(guān)系，此圖像與理論結(jié)果是相符合的。

3 節(jié)約操作時(shí)間，利于深入討論

DIS系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，只要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的了（下轉(zhuǎn)第11頁）（上接第15頁）解，從實(shí)驗(yàn)操作到軟件操作，都很容易完成。在實(shí)驗(yàn)過程中可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、繪圖、存儲(chǔ)以及打印過程。下表列舉了幾種常見的物理演示實(shí)驗(yàn)用兩種不同方法在數(shù)據(jù)處理時(shí)間上的比較，DIS實(shí)驗(yàn)的時(shí)間包含了曲線擬合函數(shù)和公式運(yùn)算的時(shí)間。

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比

以上數(shù)據(jù)表明，利用DIS系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)可以比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)節(jié)省70%以上的時(shí)間，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)的偶然誤差。利用DIS系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)，一方面使得一些實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，不適合作為演示實(shí)驗(yàn)的題目順利進(jìn)入課堂教學(xué)，另一方面節(jié)省的時(shí)間留給師生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)問題進(jìn)行深入的交流和討論，可以有更多的時(shí)間開展探究式教學(xué)。

4 激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

高中階段的物理課程要給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過自己思維、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)等，體驗(yàn)探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究的能力，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)探究的理解。[3]傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是教師的講解和學(xué)生的重復(fù)，內(nèi)容毫無新意，同時(shí)經(jīng)典物理內(nèi)容與現(xiàn)代高端的科技手段相脫節(jié)，無法吸引學(xué)生興趣。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，DIS實(shí)驗(yàn)則更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力以及創(chuàng)新意識(shí)。利用DIS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新穎的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際生活聯(lián)系，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得成就感，產(chǎn)生進(jìn)一步探究的興趣。[4]例如，用長(zhǎng)導(dǎo)線與微電流傳感器相連，使導(dǎo)線位于東西方向在空中搖動(dòng)導(dǎo)線，計(jì)算機(jī)顯示出導(dǎo)線中通有交流電，這正是由于導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)中將看不見的地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的高能力。通過看到這個(gè)現(xiàn)象還可以讓學(xué)生進(jìn)一步改變導(dǎo)線的方向，通過不同的結(jié)論得到地磁場(chǎng)的確切方向，然后深入到理論的學(xué)習(xí)。

從以上實(shí)例中可以看出，在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中加入新型的DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，既充分發(fā)揮了現(xiàn)代技術(shù)對(duì)于物理教學(xué)中的作用，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力和操作意識(shí)，可以縮短我國與先進(jìn)國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器上和教育理念上的差距，復(fù)合我國實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]文林，李會(huì).基于DIS的超重失重實(shí)驗(yàn)研究[J].科技信息，2013（21）：47-48.

[2]王勁存，仲扣莊.用DIS探究影響滑動(dòng)摩擦力的因素[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（5）：25-26.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中·物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003，56.

[4]楊利平，淺談DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用與學(xué)生創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2010，22（6）：40-42.

[責(zé)任編輯：龐修平]

【摘 要】本文介紹了DIS系統(tǒng)在中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，利用DIS系統(tǒng)操作演示實(shí)驗(yàn)可以動(dòng)態(tài)展示實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)處理方式多樣，有利于學(xué)生深入理解物理概念。在實(shí)驗(yàn)的過程中能實(shí)時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)圖像，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，為探究式教學(xué)節(jié)省了時(shí)間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】DIS系統(tǒng)；演示實(shí)驗(yàn)；探究教學(xué)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一種以計(jì)算機(jī)、傳感器和數(shù)字采集器為主的DIS（Digital Information System）數(shù)字化信息系統(tǒng)正在逐步走進(jìn)中學(xué)物理課堂，服務(wù)于課堂教學(xué)。DIS系統(tǒng)是利用電腦做終端，通過連接數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和傳統(tǒng)儀器共同完成物理量的測(cè)量，觀察物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律，是新一代智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，其工作原理如圖1。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比較，它有很多優(yōu)勢(shì)，例如測(cè)量精度高，處理速度快，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)豐富，圖像形象生動(dòng)，不僅節(jié)省了大量的課堂教學(xué)時(shí)間，還可以拓展課外實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和創(chuàng)新意識(shí)。[1，2]DIS系統(tǒng)可以說是信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合。本文就幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的案例來介紹DIS系統(tǒng)在物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用。

圖1 DIS系統(tǒng)工作原理圖

1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程，深入理解概念

DIS系統(tǒng)不僅可以完成所有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且實(shí)驗(yàn)過程更為簡(jiǎn)便、直觀，特別是其動(dòng)態(tài)的展示實(shí)驗(yàn)過程，即時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以觀察所得圖像，分析圖像特征，總結(jié)物理規(guī)律，能幫助學(xué)生更好的理解物理概念和物理規(guī)律。

如傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證牛頓第三定律，通常選兩只彈簧測(cè)力計(jì)，然后互相對(duì)拉，看兩個(gè)測(cè)力計(jì)的示數(shù)是否相同。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生無法同時(shí)觀看兩個(gè)側(cè)力計(jì)的讀數(shù)，這樣就給實(shí)驗(yàn)帶來了偶然誤差，同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法展示作用力和反作用力的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。而利用DIS系統(tǒng)的力傳感器，設(shè)置兩個(gè)通道，用正負(fù)表示方向，可以形象的表現(xiàn)出作用力和反作用力的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，如圖2。

圖2 作用力和反作用力圖像

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，處理方式多樣

DIS系統(tǒng)中的傳感器包括力、運(yùn)動(dòng)、電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲、磁等十多種，可測(cè)量的物理量十分豐富。除了傳統(tǒng)儀器可以測(cè)量的力、電等物理量，還有一些是傳統(tǒng)儀器無法測(cè)量的，如聲波、磁場(chǎng)等。同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的傳感器分辨率高，而且有多個(gè)量程，如溫度傳感器的分辨率為0.01°C，量程-50°C～+250°C；雙量程電壓傳感器分辨率為1mV/0.01V，量程-1.5V～+1.5V/-15V～+15V等。采集周期最短為20μs，頻率達(dá)到104Hz。

在數(shù)據(jù)顯示方面，在計(jì)算機(jī)上對(duì)于連續(xù)采集的數(shù)據(jù)有圖像、表頭或數(shù)據(jù)三種不同的數(shù)據(jù)顯示方式；同時(shí)可以對(duì)生成的曲線擬合公式，用于數(shù)據(jù)分析。

如用DIS系統(tǒng)研究通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)。將磁傳感器置于通電螺線管的一端，然后沿軸線方向勻速進(jìn)入，得到其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像（圖3）。通過圖像可以得出以下結(jié)論：（1）螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)是呈對(duì)稱分布，中間部分磁場(chǎng)最強(qiáng)，兩端磁場(chǎng)較弱；（2）螺線管中間部分可以近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖3 B-t圖像

圖4 B-I 圖像

改變實(shí)驗(yàn)中螺線管中電流的大小，將磁傳感器放置于螺線管內(nèi)部固定位置，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化關(guān)系，得到B-I曲線（圖4）。圖4中清晰的看出B與I成正比關(guān)系，此圖像與理論結(jié)果是相符合的。

3 節(jié)約操作時(shí)間，利于深入討論

DIS系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，只要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的了（下轉(zhuǎn)第11頁）（上接第15頁）解，從實(shí)驗(yàn)操作到軟件操作，都很容易完成。在實(shí)驗(yàn)過程中可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、繪圖、存儲(chǔ)以及打印過程。下表列舉了幾種常見的物理演示實(shí)驗(yàn)用兩種不同方法在數(shù)據(jù)處理時(shí)間上的比較，DIS實(shí)驗(yàn)的時(shí)間包含了曲線擬合函數(shù)和公式運(yùn)算的時(shí)間。

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比

以上數(shù)據(jù)表明，利用DIS系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)可以比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)節(jié)省70%以上的時(shí)間，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)的偶然誤差。利用DIS系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)，一方面使得一些實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，不適合作為演示實(shí)驗(yàn)的題目順利進(jìn)入課堂教學(xué)，另一方面節(jié)省的時(shí)間留給師生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)問題進(jìn)行深入的交流和討論，可以有更多的時(shí)間開展探究式教學(xué)。

4 激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

高中階段的物理課程要給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過自己思維、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)等，體驗(yàn)探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究的能力，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)探究的理解。[3]傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是教師的講解和學(xué)生的重復(fù)，內(nèi)容毫無新意，同時(shí)經(jīng)典物理內(nèi)容與現(xiàn)代高端的科技手段相脫節(jié)，無法吸引學(xué)生興趣。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，DIS實(shí)驗(yàn)則更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力以及創(chuàng)新意識(shí)。利用DIS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新穎的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際生活聯(lián)系，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得成就感，產(chǎn)生進(jìn)一步探究的興趣。[4]例如，用長(zhǎng)導(dǎo)線與微電流傳感器相連，使導(dǎo)線位于東西方向在空中搖動(dòng)導(dǎo)線，計(jì)算機(jī)顯示出導(dǎo)線中通有交流電，這正是由于導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)中將看不見的地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的高能力。通過看到這個(gè)現(xiàn)象還可以讓學(xué)生進(jìn)一步改變導(dǎo)線的方向，通過不同的結(jié)論得到地磁場(chǎng)的確切方向，然后深入到理論的學(xué)習(xí)。

從以上實(shí)例中可以看出，在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中加入新型的DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，既充分發(fā)揮了現(xiàn)代技術(shù)對(duì)于物理教學(xué)中的作用，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力和操作意識(shí)，可以縮短我國與先進(jìn)國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器上和教育理念上的差距，復(fù)合我國實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]文林，李會(huì).基于DIS的超重失重實(shí)驗(yàn)研究[J].科技信息，2013（21）：47-48.

[2]王勁存，仲扣莊.用DIS探究影響滑動(dòng)摩擦力的因素[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（5）：25-26.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中·物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003，56.

[4]楊利平，淺談DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用與學(xué)生創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2010，22（6）：40-42.

[責(zé)任編輯：龐修平]

【摘 要】本文介紹了DIS系統(tǒng)在中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，利用DIS系統(tǒng)操作演示實(shí)驗(yàn)可以動(dòng)態(tài)展示實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)處理方式多樣，有利于學(xué)生深入理解物理概念。在實(shí)驗(yàn)的過程中能實(shí)時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)圖像，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，為探究式教學(xué)節(jié)省了時(shí)間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】DIS系統(tǒng)；演示實(shí)驗(yàn)；探究教學(xué)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一種以計(jì)算機(jī)、傳感器和數(shù)字采集器為主的DIS（Digital Information System）數(shù)字化信息系統(tǒng)正在逐步走進(jìn)中學(xué)物理課堂，服務(wù)于課堂教學(xué)。DIS系統(tǒng)是利用電腦做終端，通過連接數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和傳統(tǒng)儀器共同完成物理量的測(cè)量，觀察物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律，是新一代智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，其工作原理如圖1。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比較，它有很多優(yōu)勢(shì)，例如測(cè)量精度高，處理速度快，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)豐富，圖像形象生動(dòng)，不僅節(jié)省了大量的課堂教學(xué)時(shí)間，還可以拓展課外實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和創(chuàng)新意識(shí)。[1，2]DIS系統(tǒng)可以說是信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合。本文就幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的案例來介紹DIS系統(tǒng)在物理演示實(shí)驗(yàn)中的作用。

圖1 DIS系統(tǒng)工作原理圖

1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程，深入理解概念

DIS系統(tǒng)不僅可以完成所有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且實(shí)驗(yàn)過程更為簡(jiǎn)便、直觀，特別是其動(dòng)態(tài)的展示實(shí)驗(yàn)過程，即時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以觀察所得圖像，分析圖像特征，總結(jié)物理規(guī)律，能幫助學(xué)生更好的理解物理概念和物理規(guī)律。

如傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證牛頓第三定律，通常選兩只彈簧測(cè)力計(jì)，然后互相對(duì)拉，看兩個(gè)測(cè)力計(jì)的示數(shù)是否相同。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生無法同時(shí)觀看兩個(gè)側(cè)力計(jì)的讀數(shù)，這樣就給實(shí)驗(yàn)帶來了偶然誤差，同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法展示作用力和反作用力的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。而利用DIS系統(tǒng)的力傳感器，設(shè)置兩個(gè)通道，用正負(fù)表示方向，可以形象的表現(xiàn)出作用力和反作用力的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，如圖2。

圖2 作用力和反作用力圖像

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，處理方式多樣

DIS系統(tǒng)中的傳感器包括力、運(yùn)動(dòng)、電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲、磁等十多種，可測(cè)量的物理量十分豐富。除了傳統(tǒng)儀器可以測(cè)量的力、電等物理量，還有一些是傳統(tǒng)儀器無法測(cè)量的，如聲波、磁場(chǎng)等。同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的傳感器分辨率高，而且有多個(gè)量程，如溫度傳感器的分辨率為0.01°C，量程-50°C～+250°C；雙量程電壓傳感器分辨率為1mV/0.01V，量程-1.5V～+1.5V/-15V～+15V等。采集周期最短為20μs，頻率達(dá)到104Hz。

在數(shù)據(jù)顯示方面，在計(jì)算機(jī)上對(duì)于連續(xù)采集的數(shù)據(jù)有圖像、表頭或數(shù)據(jù)三種不同的數(shù)據(jù)顯示方式；同時(shí)可以對(duì)生成的曲線擬合公式，用于數(shù)據(jù)分析。

如用DIS系統(tǒng)研究通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)。將磁傳感器置于通電螺線管的一端，然后沿軸線方向勻速進(jìn)入，得到其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像（圖3）。通過圖像可以得出以下結(jié)論：（1）螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)是呈對(duì)稱分布，中間部分磁場(chǎng)最強(qiáng)，兩端磁場(chǎng)較弱；（2）螺線管中間部分可以近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖3 B-t圖像

圖4 B-I 圖像

改變實(shí)驗(yàn)中螺線管中電流的大小，將磁傳感器放置于螺線管內(nèi)部固定位置，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化關(guān)系，得到B-I曲線（圖4）。圖4中清晰的看出B與I成正比關(guān)系，此圖像與理論結(jié)果是相符合的。

3 節(jié)約操作時(shí)間，利于深入討論

DIS系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，只要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的了（下轉(zhuǎn)第11頁）（上接第15頁）解，從實(shí)驗(yàn)操作到軟件操作，都很容易完成。在實(shí)驗(yàn)過程中可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、繪圖、存儲(chǔ)以及打印過程。下表列舉了幾種常見的物理演示實(shí)驗(yàn)用兩種不同方法在數(shù)據(jù)處理時(shí)間上的比較，DIS實(shí)驗(yàn)的時(shí)間包含了曲線擬合函數(shù)和公式運(yùn)算的時(shí)間。

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比

以上數(shù)據(jù)表明，利用DIS系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)可以比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)節(jié)省70%以上的時(shí)間，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)的偶然誤差。利用DIS系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)，一方面使得一些實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，不適合作為演示實(shí)驗(yàn)的題目順利進(jìn)入課堂教學(xué)，另一方面節(jié)省的時(shí)間留給師生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)問題進(jìn)行深入的交流和討論，可以有更多的時(shí)間開展探究式教學(xué)。

4 激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

高中階段的物理課程要給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過自己思維、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)等，體驗(yàn)探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究的能力，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)探究的理解。[3]傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是教師的講解和學(xué)生的重復(fù)，內(nèi)容毫無新意，同時(shí)經(jīng)典物理內(nèi)容與現(xiàn)代高端的科技手段相脫節(jié)，無法吸引學(xué)生興趣。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，DIS實(shí)驗(yàn)則更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力以及創(chuàng)新意識(shí)。利用DIS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新穎的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際生活聯(lián)系，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得成就感，產(chǎn)生進(jìn)一步探究的興趣。[4]例如，用長(zhǎng)導(dǎo)線與微電流傳感器相連，使導(dǎo)線位于東西方向在空中搖動(dòng)導(dǎo)線，計(jì)算機(jī)顯示出導(dǎo)線中通有交流電，這正是由于導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)中將看不見的地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的高能力。通過看到這個(gè)現(xiàn)象還可以讓學(xué)生進(jìn)一步改變導(dǎo)線的方向，通過不同的結(jié)論得到地磁場(chǎng)的確切方向，然后深入到理論的學(xué)習(xí)。

從以上實(shí)例中可以看出，在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中加入新型的DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，既充分發(fā)揮了現(xiàn)代技術(shù)對(duì)于物理教學(xué)中的作用，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力和操作意識(shí)，可以縮短我國與先進(jìn)國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器上和教育理念上的差距，復(fù)合我國實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]中華人民共和國教育部.普通高中·物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003，56.

[4]楊利平，淺談DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用與學(xué)生創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2010，22（6）：40-42.

[責(zé)任編輯：龐修平]