使用DIS优化物理实验教学之浅见

(上海市第五十四中学上海200030 )

1DIS的优势

1.1操作方便

例如测量房间宽度，传统测量使用传统的米尺：测量者要在房间中移动，还要时刻保持尺与墙面垂直.而使用DIS位移传感器测量：测量者只用一个超声波位移传感器靠在一边墙上，对准对面的墙壁，按下按钮，计算机屏幕上立刻显示出距离的数值.

与传统测量方法相比，使用DIS不仅避免了测量者的移动，还省去了读数中的估读环节，非常方便，DIS给物理量的测量带来了革命性的变化.

1.2灵敏度高

DIS具灵敏度高的特点.例如在传统的“研究电磁感应现象”的实验中，由于地磁场比较弱，一般情况下由地磁场引起的感应电流很小，普通的灵敏电流计无法测出.但是使用DIS实验配套的电流传感器具有很高的灵敏度，可以很容易观察到单匝线圈在地磁场中转动时产生的感应电流.

1.3数据处理快

DIS实验系统通过传感器获取实验信息，经数据采集器传递给计算机，进行数据和图形处理，大量的实验数据可以由计算机瞬间处理完成.

例如，在研究物体的运动时，计算机可以实时地画出s-t图象，瞬间将s-t图象转换成v-t图象.统计表明，使用DIS实验系统，学生用于数据处理的时间比例，由过去的45%降到3%.可以让学生从大量的数据处理中解脱出来，使学生有更多的时间用于探索研究，从而大大提高了实验效率.

2DIS的劣势

2.1原理不直观

DIS传感器对学生来说有神秘感.传统实验中纸带、弹簧秤、温度计、电表都很具体直观.而传感器的内部结构是看不到的，物理原理也更复杂，像是神秘的“黑箱”.

例如学生使用直尺测量房间的宽度，其必然能知道直尺之所以能测量物体的长度，是因为尺上有标度.而学生在使用位移传感器测量房间的宽度时，就不见得了解位移传感器的原理.这主要是因为DIS传感器功能封装原理较复杂的特点.

2.2缺少“经历过程”

比如测量物体加速的实验，传统的实验采用打点计时器对小车的运动状况进行记录.学生经历了利用纸带上的点求相邻相等时间的位移差、速度、加速度等实验过程，有着丰富的实验体验，因此对实验的理解会比较深刻.

而使用DIS做实验：直接得到了小车运动的s-t图像，进而通过转换坐标轴得到小车运动的v-t图像甚至a-t图像.计算小车的瞬时速度及小车的加速度乃至于作图都由计算机代替完成了，学生只需识图就能得到结果.效率是提高了，但缺少经历过程，少了实验的充分体验必然导致对实验的理解不够到位.

2.3对实验设计的要求较高

DIS的传感器具有很高的精度前文已提到，但如果使用时设计不当也会出现相反的情况.我听过一节“测定重力加速度”的公开课.各组学生按课前准备好的方法测量加速度g.结果发现传统的打点计时器和单摆方法误差不大，而采用DIS测量自由落体运动的加速度得到的结果却相当离谱，在老师帮助下，测量结果也仅从最初的15 m/s2变为12 m/s2.

DIS为什么不准？课后我多次实验发现：此公开课上采用的是分离式的位移传感器，实验时需让发射端作自由落体运动，而发射端的形状是长方体，很难做到在空气中不发生偏转，所以导致实验的误差大到不可接受.（要想得到一张比较完美的自由落体s-t图像，必须保证下落的稳定性并尽可能减少空气阻力的影响，为此我设想：如果把发射端做成子弹头状，发射口在最上端平面中心处，并使其重心尽可能的靠近下端尖头处，这样一来就能增强下落时方向的稳定性并减少空气阻力的影响了.）

事实说明，DIS实验设计不当会给课堂增加不确定性.因此，在教学中如何使用DIS做实验需要教师加强设计研究.

3恰当的使用DIS，优化物理实验教学

3.1要解释好DIS传感器的原理

学生做DIS物理实验，只会操作而不知原理，不能达到预期的实验目的，会弱化了对学生分析、思考能力的培养，不利于学生的发展.所以教师应解释清楚传感器的工作原理，让学生在使用传感器时做到“知其然，也知其所以然”.

3.2恰当的选择运用DIS的场合，适度的运用DIS，不能“为技术而技术”

以“研究自由落体运动”为例.如果只是做定性的研究，则选择DIS做实验优于传统实验.在得到运动的s-t图像是过原点的曲线后，学生能一眼看出自由落体运动不是“匀速直线运动”而应是“加速运动”并进而猜测是不是匀加速直线运动.之后，可进一步发挥DIS的优势了.对s-t图像进行拟合（如图1）.

当进行到二次拟合时，会发现拟合得十分完美，如进一步引导学生去看s-t2图像（如图2），能很好的说明位移和时间的平方成正比.至此已能够很顺利的得出自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动的结论.

或许有人会问，是否能更进一步得出a-t图并求出g值呢？经我多次尝试，a-t图从未出现过一条理想的平行于t轴的直线.图像显示的a值忽而高于10，忽而低于8，很不稳定.如果真要这么做的话，反而会使得学生对之前得出的自由落体运动中加速度不变这一结论产生不必要的怀疑.

在笔者看来，用DIS对自由落体的运动规律做定性的研究已经能够收到该有的实验效果，教师不必苛求非得用DIS定量的测出重力加速度的数值.

总之，将DIS运用于教学场合要适当，运用要适度，不要认为一堂课上用DIS越多越好，否则将弄巧成拙，起不到好的作用.

3.3专用软件少用一些，通用软件多用一些

二期课改方案明确指出，当前进行物理现代化教学关键是“加强现代信息技术的应用，促进学生的学习方式和教师的教学方式的全面变革.” 信息化环境下高中物理的“学”与“教”就是要在高中物理教学实践中，应用信息技术展开实验教学和设置虚拟实验的平台，实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生的互动方式的变革.有鉴于此，笔者以为，DIS软件中的专用软件由于设计得过于到位，因此培养学生能力的效果不是很理想，宜少用一些.而通用软件在具体使用时要结合不同的实验要求进行适当的设计，在设计的过程中，学生对于实验原理的理解，实验手段的应用能达到较高的水平，因此多用一些为好.当然，这就需要教师对DIS实验系统有更加深入的研究.

3.4对传统实验和DIS实验进行恰当的整合

从学生学习知识的角度来看，两种实验方式各有长短，没有先进落后之分.传统实验在操作阶段主要培养学生的观察能力和动手实践能力，在数据处理阶段培养学生严谨、细致、实事求是的科学态度；而DIS作为信息采集和数据处理工具，能够大大缩短处理实验数据所花费的时间从而提高实验效率；运用DIS还能做出一些用传统测量工具做不成的实验，从而拓展了实验范围，为学生自主探究设计实验、培养学生的创新能力提供广阔的天地.

比如研究“共点力的合成”，用弹簧秤能直接显示力的大小，而用力传感器将力信号转化为电信号再显示在计算机屏幕上显然多此一举，且实验原理变得不直观.而在研究“向心力与哪些因素有关”的实验中，利用传统实验器材最终只能获得各物理量间的定性关系，而利用DIS的强大数据处理功能（拟合图线）后，可以得到定量的表达式，在这一点上DIS有着传统实验无法比拟的优势.

适合的就是最好的！传统实验与DIS实验说到底只是实验手段不同而已.选择哪种实验手段，关键要看具体要研究的问题是什么.既然两种实验手段各有千秋，那就应该相互弥补.我们可以通过适当的整合使之有机的结合起来从而提高实验教学的效果.

还是以研究自由落体运动规律为例.我们可以先利用DIS定性的得出自由落体是匀变速直线运动的规律后再换做一个传统实验进而求出重力加速度的数值.这样一来，学生将得到更加全面的能力培养，从而收到更好的教学效果.

以上所述是笔者对于使用DIS优化物理实验教学的一点浅见，不当之处，还请方家斧正！