从匀变速直线运动的位移公式谈物理教学与传感信息技术的整合

现代信息技术给教育改革带来了勃勃生机，其中利用传感器技术实现的非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于各行各业，而且也正逐步引入到中学物理教学中。下面以学习匀变速直线运动的位移公式为例，谈谈我对物理教学与传感信息技术的整合的思考和认识。

匀变速直线运动教学的现实困难

匀变速直线运动是机械运动中的重要运动，其中对位移公式的推导和理解是教学的难点。常规教学中对这一公式的推导方法要么不利于新课程所提倡的探究论、过程论的实施，要么难理解、误差大、繁琐效率低。虽然信息技术手段引入后，教师可使用现代的计算机辅助教学软件和多媒体素材库来辅助教学，或采用可视化的模拟实验，或由课件直接给出图像，或从静态的图表发展到动态模型，帮助学生理解所学的知识。但由于模拟实验毕竟不是真实实验，其可信度不高，如果长时间采用这种方式教学，学生的实验操作能力，设计、创新的能力都得不到应有的训练。而且课件还存在无法应对突发的错误、交互技术不完善等缺陷，所以这些课件并没有在方法、手段上实现实质性的突破，仍不能解决常规教学中的难题。它没有实现真正意义上的整合，信息技术与物理教学仍然是两张皮。

与传感信息技术的整合

在这部分知识的教学中，我们的目标是想寻找位移(s)随时间(t)变化的规律，而常规实验仪器的困难在于无法完成对运动物体的位移及其相应时间的动态即时测量。如果引入位移传感器进行该实验，展开教学，就出现了完全不同于以往的教学思路和效果。

我们采用的是DIS数字实验室系统进行实验，其位移传感器分为发射模块与接收模块两部分（如图1所示），能不断向外发射红外线和超声波的发射模块随小车在倾斜轨道上加速运动，接收模块将接收到的信息通过数据采集器输入计算机，相应的软件通过红外线和超声波的时间差来确定两个模块之间的距离，依此确定各个时刻发射模块（小车）发生的位移，测量的原始数据可以用表格进行呈现，也可以将这些数据直接呈现在s-t图像中。

当学生通过实验获得数据后，计算机完成了机械的绘图工作，学生可对选定的区域自由地进行拟合，配套软件提供了一系列数学函数图线去拟合选定区域内图形的功能（如图2左下侧所示），帮助学生验证自己的猜想。

如图3所示，学生进行线性拟合后发现线性拟合函数与原始数据偏差较大，说明位移不是时间的一次函数。经探究后学生会发现二次拟合线与选取区域的原始数据比较吻合，说明位移是时间的二次函数。计算机和配套软件还提供了与这些拟合线相对照的数学函数方程供学生参考。

由于所进行的是一个真实的实验，教师可以有意识地暴露实验中的矛盾，引导学生发现问题。如：此实验中的三次拟合线与选定区域的原始数据重合得相当好，是偶然的实验误差还是位移是时间的三次函数？学生不断地改变实验条件，结果发现每次重合得都很好，这就排除了偶然误差。最后学生通过计算机提供的三次拟合函数方程找到了问题的症结：其三次项系数趋近于零，也就是三次项几乎不成立，更说明了位移是时间的二次函数。

学生经多次探究后发现位移是时间的二次函数，即s=at+bt2，基本上完成了本节课的教学任务。至于“系数a和b各与哪些物理知识有关”的教学，教师可根据教学时间和学生情况灵活地调整，既可直接进行传递式教学，也可组织学生展开讨论、提出猜想并利用手边的实验器材方便地改变实验条件，如斜面高度、初速度大小、在小车上加砝码等，进一步地探究a和b的本质。

运用传感技术进行实验的优势

1.用位移传感器研究匀变速直线运动，实现了位移这一过程量的测量，填补了高中实验的空白。

2.采用传感器进行教学，将以往教师为主的“教”转变成了以学生活动为主的“探”， 学生真正经历完整的科学研究过程，发展了学生的探究能力。

3.借助信息技术每秒钟数万次的数据采集和处理量是传统实验根本无法相比的；提高了实验效率，拉近了学生与现代高新科技之间的距离；也将数学函数与图形相结合的数形思想和物理情景及其物理意义交融在一起，有助于培养学生理性思维和建立数理统一的观念。

4.在实验过程中，同一组学生必须分工合作才能完成实验，发现问题时相互讨论，共同寻找解决问题的方案。这种协作式学习有利于培养学生的合作精神，使各层次的学生都有所发展，为更多学生提供了一个施展才能的舞台。

5.由于所有的数据都基于真正的实验，教师可以有意识地暴露实验中的矛盾，如在这一实验中教师可以引导学生观察二次拟合线和三次拟合线在选定区域的原始数据都重合得相当好，这是为什么？引导学生进行更深层次的探究。