基于DIS的物理探究实验教学设计

白明侠黄 昭张轶炳贾 周

（1宁夏大学教育科学学院，银川 750021）

（2宁夏大学物理电气学院，银川 750021）

（3东南大学电气工程学院，南京 210037）

基于DIS的物理探究实验教学设计

白明侠1黄 昭1张轶炳2贾 周3

（1宁夏大学教育科学学院，银川 750021）

（2宁夏大学物理电气学院，银川 750021）

（3东南大学电气工程学院，南京 210037）

数字化信息系统（DIS）是运用信息技术整合物理实验教学的高新技术设备；基于DIS的物理探究实验具有诸多传统设备不具有的优点；阐述了基于DIS的物理探究实验的相关理论并结合案例探索构建基于DIS的物理探究实验教学设计方法；开展基于DIS的物理探究实验是新课程改革中学物理实验教学的必然趋势；旨在引进和倡导基于高科技手段——DIS的物理探究实验。

数字化信息系统（DIS）；物理探究实验；新课改；素质教育；教学设计

我国教育部2003年颁布的《高中物理课程标准（实验稿）》中提出：“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等”。[1]基于DIS的探究实验是学习者主动探究的学习，适用于所有理科实验。它在实验过程中创设类似科学研究的情境和途径，让学生通过使用不同类型的传感器自己收集、分析和处理数字化信息来体验知识的产生和创造过程，进而学会学习，培养学生分析问题、解决问题的能力。[2]基于DIS的物理探究实验的核心是要改变学生的学习方式，强调主动探究，其过程既是学习的过程又是学习的目的。它不同于传统的实验教学，它是以学生为主体的新型学习方式，这无疑会给传统僵化的教学模式带来巨大冲击。

1 DIS简介及其研究内容

数字化信息系统DIS（Digital Information System）是利用计算机接口技术与多媒体技术开发的新型教学设备。由计算机和数据采集器、配套的“师大教育”软件、教学专用传感器（图1）构成。DIS是集物理量的采集、记录、分析于一体的综合实验平台，支持四路数据并行上传、实验结果的线形、二次、高次曲线拟合。可以完成包括函数在内的复杂运算，实现了中学物理实验设备与计算机的组合使用 （有关设备的详细资料可直接向南京师范大学课程资源研究所[3]索阅）。

在国家倡导以学生的发展为本，大力推进素质教育和研究性学习的宏观背景下，观察物理现象，突出物理建模，培养学生运用科学方法形成和应用物理概念及规律的能力成为物理教学的核心任务。物理实验教学的地位和作用日益突出，改进和完善物理实验教学方法和手段，特别是应用DIS技术整合物理实验教学，正被物理教学界广泛关注，[4-6]DIS探究过程本身恰恰是它要追求的结果。

基于对物理实验教学的深刻理解和教育改革形势的正确判断，南京师范大学课程研究所开发了数字化物理实验平台——DIS。DIS实验研究的内容涉及所有的物理量（力、电压、电流、磁场、毫秒、温度、压强、光强、声、G-M技术等），可以独立采集、发送、处理、上传，也可以与传统教学仪器结合起来[7]实验，使现有实验室装备获得数字化接口。[8]若配合校园网或局域网，可作为理科实验教与学的互动平台；若配合实验评测系统，可以实现理科实验的考试、评价和诊断于一体。基于DIS的物理实验在国外发达国家的教育系统中的发展已经十分普遍和成熟，[9]而在国内配备数字化实验室的学校却屈指可数（仅有南京金陵中学、武汉华师一附中、深圳宝安中学等）。[10]基于DIS的物理实验课程研究是目前物理实验教学研究的热点，已经有相关论文发表。[11，12]

2 基于DIS物理探究实验的理论基础

美国教育家戴尔（E.Dale）在其著作《教学中的视听方法》中提出了以“经验之塔”为核心的视听教学理论。强调抽象的学习经验必须以具体的学习经验为基础，他把学习经验分为三大类:做的经验、观察的经验、抽象的经验并组成一个序列，为视听媒体应用于教学奠定了理论基础。戴尔的理论对基于DIS的物理探究实验教学具有重要的指导意义：DIS源于理科实验和信息技术，把做的经验（在传统实验中介入信息技术），观察的经验（实验过程的演示、再现），抽象的经验（概念、规律）融为一体。DIS强大的数据处理和图像分析功能，为具体经验概括抽象到概念、规律的揭示搭建了优秀的平台，对学生理解物理概念、物理规律助益匪浅。DIS技术更适合解决探究课题，长于开拓学生“具体经验”的广度和深度。基于DIS的物理实验教学有利于“理解物理概念、分析物理过程、实施探究教学、催生更多创新”。[13]

行为主义学习理论认为学习就是形成刺激和反应的联结和联想。斯金纳将有机体的行为分为应答性行为和操作性行为。操作性行为由有机体发出，有机体主动地作用于环境。[14]DIS理科实验设备恰恰具备支撑这一理论的技术要素，而且DIS对信息的选择、加工、处理更准确，实验效率更高。因此充分利用DIS设备优势，大力鼓励学生动手操作各种传感器，通过数据采集器获取数据，利用计算机处理数据，根据表格、图线能分析、联想、获得对物理规律的准确理解。

认知主义学者布鲁纳认为人的智慧发展沿着动作表征、肖像表征、符号表征三种表征系统顺序进行。[14]学生用DIS设备做探究实验，从而具有动作经验；利用计算机软件处理生成动态的图线、图表，有利于学生形成表象、建立模型，获得肖像表征的经验；在教师语言指导或同伴互助下，形成符号表征（概念、规律）。这样更有利于学生独立思考，体验获得知识的过程，建立该学科的知识体系。信息加工论者认为人的认知过程是一个主动地寻找信息、接受信息，并在一定的信息结构中进行加工的过程。[14]人类处理信息的能力有限，DIS软件能将大量数据迅速处理成简洁易记的信息，利于信息从短时记忆状态进入长时记忆状态。由数据生成的图线、图表具有简约的特征，有利于增大信息量和信息加工。同时因为“映象系统一般说来比言语系统更不容易遗忘，因为图象比句子更容易用表象来编码”。[15]所以DIS处理实验数据生成图表，可以加深对物理概念或规律的理解。

建构主义理论强调探究性学习，DIS则是开展探究实验最为有效的工具：数据和图线给学生提供了主动建构知识的便利，把实验结果与学生的体验联系在一起；通过学生的探索、质疑、发现、比较，积极主动去建构并进行有意义的学习。[15]学生进行探究实验时可以选用不同的DIS传感器和方案，通过对实验结果的分析、讨论、验证最终形成概念和规律的正确理解和把握。基于DIS的物理探究实验的课题选择和实验过程更尊重学生的自主性，更有利于调动学生的兴趣，在教学的探究性和开放性方面，DIS会有更为广阔的发展空间。

3 基于DIS的物理探究实验教学设计方法

基于DIS的物理探究实验教学设计应着重训练学生综合运用知识解决实际问题的能力；内容兼顾实用性、适应性、探索性和实验方法多元性。充分利用和动手操作现有DIS设备顺利完成实验，达到提高科学探究能力和培养科学探究素养的目的，从而具有必须的批判精神和独立思考习惯。敏锐地处理有关证据、数字、模型、逻辑推理和不确定性的问题，包括养成使用各种工具、仪器来解决实际问题的意识。[16]基于DIS的物理探究实验教学设计流程图见图2：

图2 基于DIS的物理探究实验教学设计流程图

3.1 选定DIS实验课题

教师可以提供相关课题的背景信息，让学生讨论他们了解到的信息并选择所需探究实验的DIS设备，提出一些具有启发性的问题供学生思考。教师的问题应分三个层次：基础问题——综合问题——未知问题。教师可以针对不同层次的探究性实验提出不同层次的问题，也可以针对不同的学生选择着重提出不同的要求，做到因材施教。

3.2 分析因素，提出假设

在确定DIS探究性实验的课题后，根据已有的物理学知识和经验、实验条件、研究方法的可操作性等，综合权衡以后，提出假说或猜想。分析哪些物理量可直接用DIS传感器测量，哪些需要通过测量其它物理量来间接计算，如利用欧姆定律测电阻R=U/I。在测量物理量之前，请学生们思考哪些表达式中含有该物理量，分组讨论。在选择公式时，要求在实验室中容易操作，并且测量精度较高。接下来学生们依据选定的公式和传感器类型（如电压传感器或电流传感器）来设计实验方案。

3.3 设计实验方案

对于选定的DIS探究实验课题的假说或猜想，学生独立或在教师的指导下设计实验方案。实验方案的设计体现实验者的综合知识背景，是探究实验最重要、关键的步骤。DIS探究实验方案的设计，应具体考虑实验方法、测量方法、测量仪器和测量条件等因素。

首先，指导学生根据DIS实验探究课题提出假说或猜想，收集各种需要的实验资料，即根据一定的物理原理，确定在被测量与可测量之间建立关系的各种可能的方法。然后，比较各种实验方法所能达到的实验精度、实验条件及实施的可能性，以便确定利于发挥DIS优势的“最佳”实验方法。

其次，选定好“最佳”实验方法后还应选择恰当的测量方法。有的物理量只能用特定的DIS传感器，但有的物理量的测量却可以用不同的DIS传感器组合，这时就应该对测量误差作初步的分析，务求使测量结果的误差最小。为此需要对误差来源及误差传递进行分析，还要对间接测量与直接测量之间关系进行研究。以《天体重力加速度的测定》为例，利用光电门传感器测出当地的重力加速度的值，然后以此为标准来查找其他天体的重力加速度。先测定重力加速度，取摆长为1m的单摆，测出单摆50次全振动所用时间 t， 则 g=4π2L/T2=4×9.87×1.01/（t/50）2=105/t2。如表 1：

表1 重力加速度与时间对照表

表中每个t值与g值对应，实验中只要从秒表上读出时间t，就可以在表格中查出对应的g值。

第三，测量方法选定后应考虑测量该实验方案的物理量需要哪些与DIS设备配套的辅助材料和实验环境。如《单摆周期的测量》是探讨重力加速度对周期的影响。在演示用的圆形电磁铁上方悬挂一个单摆（摆长约lm，摆球为小铁球），静止时摆球与电磁铁相距1cm。借此改变重力加速度。或在演示用的圆形电磁铁的上方悬挂1个电磁摆球（自制或用电磁铁改制）。

初步提出DIS探究实验方案后接着进行论证，考察所提方案能否达到实验要求，实验测量装置是否合适，所选的DIS仪器搭配是否合理，是否可以达到所要求的精度，以及误差传递公式检验所选择的实验条件是否有利于减少误差等，以便及时修正实验方案。

3.4 分析实验、总结结论

第一，形成解释。学生完成DIS物理探究实验后，根据物理学的基本概念、基本原理、基本方法，运用归类、分析、推沦、预测，以及像批判性推理和逻辑等一般方法，提出自己对DIS实验结果的因果关系的解释。在形成解释的过程中，学生将实验或观察的结果与己有的知识联系起来，形成超越已有知识和当前观察结果的新的理解，以完成新的意义建构。

第二，评价、修正结果。通过DIS探究实验所得出的数据以及据此推理出来的结果是否能够证明所提出的解释？根据DIS实验所得出的数据还能不能得出其他的解释？由数据到解释的推理过程中有没有明显的偏见和缺点？比较各自的研究结果，与教师或教材的结果比较来评价可能的解释。

第三，交流、检验、应用结果。学生交流各自的DIS探究过程和结果，一方面学生就自己的DIS探究实验的设计思想以及自己在探究过程中形成的见解与他人交流，听取他人的意见和建议并进行讨论；另一方面可以就他人的探究结果提出疑问或者不同解释，改进自己的探究实践。

4 结语

在基于DIS的物理探究过程中激发学生持久的学习兴趣、培养敢于思考、乐于合作、勇于实践的态度。变被动接受知识的过程为主动探索和获取知识的过程，注重获取知识过程的教学，明确探究实验的学生主体地位。让学生在基于DIS设备的物理探究活动中体验探索的艰辛和成功，激发学生探索的兴趣和热情，这与新课程改革的理念是高度一致的。教师引导学生用科学的方法和准确的实验操作来实践探究的过程、验证已有的现象和规律，这样的探究式教学有利于培养学生的创新意识和创新水平，有利于学生综合素质的提高。这恰恰是笔者引进和倡导DIS物理探究实验的初衷。

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[4]刘炳升.走进高中新课改——物理教师必读[M].南京:南京师范大学出版社，2005.

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THE INQUIRY PHYSIC EXPERIMENTS'TEACHING DESIGN OF HIGH SCHOOL BASED ON DIS

BAI Ming-xia1HUANG Zhao1ZHANG Yi-bing2JIA Zhou3
（1 Educational Science Institute of Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021）
（2 Physics and Electronic Institute of Ningxis University， Yinchuan Ningxia 210097）
（3 Information Institute of Nanjing Foreast University，Nanjing Jiangsu 210037 ）

Digital Information System （DIS） is a high-tech laboratory apparatus to combine physics experiments teaching by using information technique.Physics inquiry experiments based on DIS have many strongpoints comparing with traditional ones.The interrelated theories of physics inquiry experiments based on DIS are expounded in details and methods of teaching design are explored following with several cases.The development of physics experiments based on DIS is an inevitable trend.The purpose is to introduce and sparkplug physics inquiry experiments based on a high-tech means-DIS.

Digital Information System （DIS）；Physics Inquiry Experiments；New Curriculum Reform；Quality-oriented Education；Teaching design

G40-012，G434

A

1672－2868（2010）06－0135－05

2010-7-17

宁夏教育科学“十一五”规划课题-中学物理课程改革与新课程衔接的研究（项目编号：NXJKZ07-4）。

白明侠（1983-），女，满族，辽宁新民人。在读研究生，研究方向：物理课程教学论。

责任编辑：陈 凤