DIS实验在高中物理教学中的应用

禚彦

DIS，即数字信息系统实验（Digital Information System）。它由“传感器＋数据采集器＋实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）＋计算机”构成的新型实验系统。随着计算机技术和传感器技术的不断发展，计算机实时测量技术已经广泛应用到科学技术研究以及生产领域，同时也开始应用于中学教学。它改变了传统的实验教学方法，形成新的教学模式。

1 数字化实验的内涵

数字化实验是以真实实验为基础，借助计算机来完成的实验。数字化实验应该包括3个方面。

1.1 仿真实验

仿真实验是一个开放性的实验仿真软件，提供一个实验器具完备的综合实验系统，可以仿真所能想象的所有实验。例如：可以提供质点模型、弹簧、滑轨等器具，可以提供电场、磁场、重力场、阻尼介质等实验环境；可以完成自由落体运动、机械能守恒、带电粒子在电场中的偏转等实验项目，人造地球卫星、太阳系的运行等也能利用仿真系统模拟。仿真实验不但可以演示逼真的实验动画，还可以在演示的同时提供相关的实验实时数据。通过仿真，模拟理想化的实验环境，帮助学生建立理想化的物理模型，得出物理规律。

1.2 借助传感器，计算机自动采集和处理数据

在物理实验中，实验数据的采集要通过传感器把各种物理量如力、声、光、温度、位移、磁场强度等转化成模拟电信号，通过1/0和0/1转换，转换成计算机能够识别的数字信号。由计算机采集数据，利用编制的软件，快速、方便、准确地处理采集到的实验数据，可以及时得到实验结果，如计算结果、图表、误差分析等。

1.3 用多媒体手段表现物理现象

计算机的多媒体功能越来越强，可以非常直观形象地表现实验现象，尽管表现出来的本质是虚拟的，但是它突破了真实物理实验现象的时空局限，大小、动静可以变化，使实验现象的观察更方便，感受理解更生动。

2 数字化实验与传统实验的比较

在物理课堂教学中引入数字化实验系统进行演示，可以实现信息技术与物理教学的整合，与传统的演示实验相比有许多优越性。

2.1 信息的收集和显示更精细，更灵活

DIS系统充分利用传感器收集各类物理量的信息，并把它们转化成同步变化的电信号，如力的大小信号转化成电压大小信号。实验过程中采用高频方式采样，使收集到的信号更加精确和细致。当然，也可以根据需要调整采样频率，一般频率可以从5 Hz调整到1000 Hz，基本上满足各种实验的需要。如果不需要采集器自动采样，也可用手动采样，即在需要的时候手动控制，进行采样，这样使实验的操作更灵活。

2.2 数据的处理和分析更快捷

DIS实验系统提供了数据表格功能，它能够及时录入数据，并且根据事先编写好的公式，及时输出运算结果。收集和处理好数据后，DIS系统可以迅速绘制各类图像，让学生通过图像观察物理量之间的关系。如利用图像功能研究滑动摩擦力与压力之间关系时，所显示出来的摩擦力——正压力图像是一条直线，关系一目了然。

2.3 高效的DIS实验为学生争取更多的时间进行研究

传统的实验数据都需要学生自己来处理，虽然可以提高学生的运算能力，但耗费大量时间，使学生没有更多时间来对结果作进一步的分析和运算，而后面的学习环节往往又是学生分析综合能力得以提升的大好时机。利用高效的DIS实验的学生可以把原本用于采集处理数据的时间节约下来，使实验探究环节更加深入、全面，从而使课堂效率更高，节奏更快。

3 数字化实验系统的应用有利于开展探究性教学

在教学实验中，通过实验再现科学发现的过程，让学生体验到“猜想——验证——归纳”的科学探究过程，初步掌握科学研究的方法，提高探究过程的实效。

3.1 扩展课堂内容，增加探究的广度

高中物理课堂中有很多学生实验和演示实验,由于受到常规实验仪器、实验材料等条件的限制，实验效果不尽如人意。例如单摆的实验中，教材中提供的只是摆角小于5°的近似表达式，如果摆角大于5°的情况下又是什么结果呢？如果摆球在液体中摆动呢？将细绳换成橡皮筋结果又怎样呢？需要借助各种传感器来采集数据和分析结果。通过数字化实验模拟一些重要的在目前条件下难以完成的实验，弥补常规实验的不足，拓展实验的广度。并且有利于提高学生使用计算机的操作技能，使学生提高拓展知识的能力，激发学习热情。

3.2 突破重点、难点，增加探究的深度

数字化实验可以使抽象的物理过程和概念具体化，微观现象直观化，有利于优化课堂教学结构，突破重点难点，使探究成为可能。实验可以让“不可见”的物理量通过计算机反映出来，如位移、力、磁感应强度等。碰撞的内容属于学习的难点，也是考试的重点。有关碰撞的实验题目很多，但是具体两个物体碰撞的具体过程是什么样的？两个物体从开始碰撞到分开的瞬间，它们的速度又是怎样变化的？弹性和非弹性又有什么不同？由于碰撞过程非常短暂，只是一个瞬间，用常规的传统手段得不到任何数据，只能做理论的假设，借助传感器连续采集大量数据的优点，使问题有效地解决，增加探究的深度。

4 理性认识数字化实验

4.1 数字化实验不能代替传统实验

数字化实验从数据采集和分析上大大优于传统手段的实验，但是传统实验是培养学生基本实验能力和实验素养的载体，是不能忽略的教学环节。新一轮基础教育改革对学生物理实验能力提出全面和深刻的要求。传统的实验方法能够培养学生准确、深刻的观察力，实验过程要求学生观察快速、选择准确，提高学生观察的敏锐程度；传统实验还能培养学生的操作能力，为了获取大量的数据，学生必须反复操作，从而操作熟练，手眼协调。数字化实验依靠计算机操作平台，学生直接获得数据和分析结果，但是计算机程序编制的依据却不得而知，传统性实验正是培养学生编制实验程序和数据处理的能力，包括有效数字的使用和实验误差的分析。传统性实验有助于培养学生实事求是的科学态度，即忠于实验现象和实验数据的科学作风，即使实验中出现较大的偏差，也必须承认，从而反思找原因，培养学生思考、质疑、坚韧和创新的精神。数字化实验在探究方面表现很强的优势，但决不能把数字化引进到所有的传统实验中，偏离基础教育的要求。

4.2 传感器的实验不只是运用传感器，还应该包括如何制作传感器

传统的物理实验是将各种物理量例如温度、时间、力、加速度等转化为长度进行度量。例如杆秤就是把质量的测量转化成长度的测量，温度计就是利用水银热胀冷缩的特性用长度来表示温度。指针式手表就是把时间转换成角度来让人们测量时间的变化。传感器则是将各种物理量转换成电信号，人们对电信号做出进一步的分析和处理。学生应该了解基本传感器的概念，并且应该了解基本传感器的组成，了解物理量转换成电信号的器件。数字化实验室应该包含制作传感器的内容。将传感器化整为零，放大，让学生从多种传感器件中选择制作不同的传感器。如制作光电传感器，既可以用光电池，也可以用光电二极管；既可以根据光强变化制作，也可以根据遮挡的距离做计数器、根据实验的不同，传感器所放置的位置和要求有所不同，从而加深学生对现代科技方法的认识，培养独立设计实验的能力。

总之，在新课改培养学生创新能力的教学目标要求下，应该了解数字化实验的内涵，理智地看待目前数字化实验室的流行，将数字化实验和传统实验结合起来，为学生提供更加宽泛的实验领域，培养学生的探究创新能力和综合信息的处理能力。

[1]白振宇.传统物理实验的数字化改进例解与启示[J].中小学信息技术教育,2007(5):36-37

[2]朱梁权.利用DIS传感器研究通断电自感现象[J].物理实验,2009(1):27-29

[3]李建霞.综合设计型实验教学方法探索:软硬件结合进行数字实验教学[J].教学研究,2009(3):63-67