数字化信息系统实验室在中学物理新课程教学中的应用

马少军

[摘 要] 数字化信息系统实验室不仅在物理实验设备的技术硬件方面进行了全新的信息化升级，而且丰富和完善了物理实验教学的内容，改变和突破了传统的实验教学方法，创造了一种全新的物理实验教学模式。在物理实验教学中，科学合理的利用和发挥数字化实验的优势，促进实验教学的现代化，能够提升实验教学的档次，培养学生的创新意识和实践能力，为学生的终身发展奠定坚实基础。

[关键词] 数字化信息系统实验室；新课程；中学物理；实验教学

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）06-0115-05

数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory），简称DISLab，是基于计算机技术，在传统的实验仪器设备的基础上集成了力、热、光、电、声、磁等用于数据采集的高智能数字化传感器和进行数据处理的专用实验分析软件的新型智能化实验平台。它能够高效、灵活、多变量并行采集和处理数据，输出信息在终端可以以示波器、电流表、电压表等虚拟仪表的形式显示，同时支持对实验结果的线形、曲线、二次及高次曲线的拟合分析。用户也可以自定义变量和表达式，实现包括高阶多变量函数在内的复杂运算的自动化处理。数字化信息实验室系统的工作流程如下：

实验装置→传感器→数据采集器→电脑

随着教育现代化的不断深入，数字化实验教学越来越多的进入到普通中学的实验课堂。因此，学习和研究数字化实验教学已经成为新课程背景下实验教学的趋势和方向。

1 数字化信息系统实验室的应用策略

物理实验教学通常分为演示实验和学生实验。演示实验是根据教学内容的性质和要求，由教师操作展示，以帮助学生获取新知识或巩固验证知识为目的的实验过程。演示实验是教师在实验教学中最为主要的部分，其显著特点就是具有示范性、高效性和直观性，能将学生不易理解的抽象知识具体化、形象化和临场化。演示实验是学生进行观察和获取感性认识的重要源泉，是学生学习物理概念、物理规律的基础，也是培养学生观察力、注意力及良好思维品质的重要途径。

在实践中笔者发现，对呈现性演示型课程最好用带视频展示台的大屏幕液晶投影仪，实时将物理模型、实验仪器、操作过程、仪表数据等直接投影在大屏幕上，便于学生观察演示细节和体验真实的临场感觉。

合理选择演示内容，科学严密地进行演示，能够使学生清楚地观察物理现象，在最短的时间内获得深刻的感性认识。因此，实验演示的成功与否直接影响着实验教学效果的好坏。一般情况下，对于像“最大静摩擦力的测量”、“条形磁铁、通电螺线管磁场的强弱分布”、“磁感应强度”、“电容器的充放电规律”等在传统实验条件下不易测量或误差较大的实验，常借助DISLab的传感器，精确采集数据，直观呈现实时动态的图像或图表结果，加深学生对科学概念和精细过程的认识和理解。

例如在使用磁感应强度传感器研究通电螺线管磁场的时候，可将通电螺线管置于在标有刻度的座板上（见图1），按照固定间隔把传感器逐步推进螺线管内部，每推动一次记录下当时的磁感强度数值，最后绘制出通电螺线管磁场分布曲线（见图2）。由此得出的磁感应强度分布图直观明了地说明：通电螺线管内磁场的分布是不均匀的，磁感应强度在通电螺线管的中间位置最强，两边最弱。学生反应积极强烈，实验结论直观明确，演示效果非常显著。

对交互性强的实验课程则适于用多媒体网络教室在单人单机的数字化分组实验环境中进行教学。学生经教师允许后可自由选取实验器材和共享资源，实现“自助式”的学习和演示，这样更有利于激发学生个体的能动性、积极性与创造性。有利于学生形成独立解决实际问题的能力。

2 数字化信息系统实验室在高中物理新课 程教学中的典型应用

物理新课程中的实验分为演示实验、示范性实验、分组实验，还有“做一做”栏目的探究性家庭小实验等，另外还设计了以实验为背景的“问题与练习”和“课题研究”。并且学生分组实验和探究性实验完全安排在课堂教学中进行，目的就是刻意要求把学生实验探索的空间由选修变为必修，由被动者变为主动者，由独立变为合作，强化了学生实验的重要性，进一步确立了物理实验在物理课程体系中的突出位置。

高中物理实验内容中，有相当一部分是探究性实验。例如：“探究木板间的动摩擦因素”、“探究超重与失重的条件”、“探究电源输出功率与外电阻的变化关系”、“伏安法测金属丝的电阻率”、“探究新旧电池能否混用的原因”、“探究电场中的等势线”、“研究地磁场的特性”、“碰撞过程中的冲力和冲量”等。除此之外可自选探究的内容有“探究地球磁场”、“探究涡流对小车运动的影响”、“探究电容充放电规律”等。

在传统的实验教学中，由于实验条件的限制，学生的探究欲望往往不能得到很好的满足。但借助DISLab可以高精度、多变量实时连续地采集、记录和输出相关数据，以“慢动作”的动态情景观察现象，读取数据，可以很容易地发现研究对象之间的数量关系和变化规律。所以，DISLab能够完全胜任现阶段学生对未知现象、未知领域进行探究的需要。数字化实验主要体现以下优势。

2.1 在传统实验的分析中，用DISLab改进实验条 件，通过图线功能为学生理解物理现象与物 理规律之间的关联提供有力支持

例如探究摩擦力变化规律的实验做法如下。由于传统实验器材只能做定性实验，无法观察和测量摩擦力变化的细微过程。因此，在利用弹簧测力计研究摩擦力变化规律的實验时，通常先把木块放在表面较粗糙的水平长木板上，再开始用弹簧测力计沿水平方向慢慢拉动木块。在拉力增大到一定数值之前，木块是不会运动的，这说明木块受到了静摩擦力的阻碍作用。持续加大拉力，当拉力逐渐达到某一数值时木块突然开始移动，拉力读数也会瞬间变小，此时木块的受力已经变为滑动摩擦力了。

为了更好的采集实验数据，在实验过程中实验者要尽可能的保证匀速拉动木块。由于实验者既要控制木块匀速滑动，还要关注测力计的读数变化，而木块从静止到运动也就是一眨眼的工夫，状态转化太快，所以实验者在关键点甚至根本来不及反应，实验效果当然不会太理想。

若改用DISLab来做，同样选用表面较粗糙的长木板，可将木块质量适当加重一些，以保证木块运动的平稳和有较大的摩擦力。

接着把弹簧测力计改为力传感器固定在桌面上（见图3）。此次拉动的是重木块下的长木板（可以用报纸来代替较光滑的木板，效果也很好），以保证不管是否匀速拉动木板，传感器读数始终反映木块受到的摩擦力的大小。

得到实验图像（见图4）后，教师仅用寥寥数语的引导，学生就能从图像中非常准确的找到静摩擦力、最大静摩擦力和滑动摩擦力的图像区间，读出它们的大小，理解整个实验过程中摩擦力的变化规律，且清楚判定出最大静摩擦力大于滑动摩擦力的结论。还可通过对图像数据的计算得到滑动摩擦系数的大小。至此，这个实验可以说是在轻松愉快的气氛中高效利落的完成了。

2.2 在探究实验的拓展中，用DISLab提供实验的 物质条件和技术支持，可极大地拓宽探究性 实验的空间，提升和优化探究性实验的品质

例如教师在探究涡流对小车运动的影响实验中可这么做。教师讲到：“我们知道，将大块状的导体（包括半导体）处在交变磁场中，或者让它在磁场中运动时，导体块中将产生感应电流。电流在导体中流动的路径很像水中的旋涡，故形象地称之为‘涡电流，简称涡流。如果涡流是由导体在非匀强磁场中运动而产生，则根据楞次定律知，感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。因此，涡流除热效应外还产生阻碍导体和磁场之间的相对运动的阻尼作用，这就是电磁阻尼。”

介绍完基本概念之后，教师利用数字化实验设备，让带磁性的小车沿装有位移传感器的光滑斜面加速下滑（见图5），当其分别通过装有铝板、栅栏状铝板和完整铝板的路段时在电脑屏幕（投影大屏幕）上得到了不同的运动图像（见图6）。

学生通过投影在大屏幕上的实验图像分析，很快就得出实验结论：涡流的大小和导体的形状和电阻有关，整塊导体的体积越大，电阻越小，产生的涡流就越大，对小车的阻碍作用也会越大。反之，整块导体的体积越小，电阻越大，涡流则越小，对小车的阻碍作用也会越小。整个实验过程整体干净利落，一气呵成，确实有一种“余音绕梁，三日不绝”的回味。

2.3 在难点实验的探究中，用DISLab改变实验方 法，可进一步延伸实验者的知觉，改变信息 的呈现方式

应用传感器教学，可直观、形象地看到实验数据变化的整个过程，便于学生进行更深入的思考，对问题进行更深入的研究。例如在进行振动和波的教学交流课时，教师可给学生提出两个问题：“我们能看到声波吗？如果能看到，那波应该是什么样子？”然后教师可用力敲响音叉，让学生们找“波”，但是除了耳朵听到音叉发出的声音，眼睛却怎么也“看”不到声音在哪儿。在提问中，有的同学说只能看到音叉的振动，而声音根本就不可能看到。这时教师可不慌不忙的拿出声波传感器放在音叉旁（见图7），启动实验软件，再敲一下音叉，“哇！”有些同学会惊奇的叫起来。因为他们从屏幕上“看”到了声音。这个“声音”正随着音叉的振动非常有规律的在屏幕上蜿蜒伸展（见图8）。

当然，接下来并不需要多费口舌，教师就已经给学生构建了一个实实在在的“波”的概念。

本来“波”的教学是所有物理老师都面临的一个难点，而教师通过声波传感器的应用使学生非常形象的“看到声音”。这个效果对学生来说绝对会印象深刻，甚至会“永生难忘”。

2.4 在兴趣小组的活动中，用DISLab丰富物理课 外实验，拓展开放性实验的深度和广度

课堂教学难以解决学生的所有疑问，也难以满足爱好物理的学生继续深入探究物理问题的愿望，而课外兴趣小组的拓展性补充实验正好能弥补这一不足。在DISlab被引入物理教学以前，由于传统实验仪器的功能限制，进行开放性的探究实验所受的局限太大，课外实验的探究领域和层次受到很大的制约。但是在引入DISlab以后，就可以充分挖掘DISlab的功能潜力，利用系统强大的并行采集和处理数据的能力，灵活组合多种物理传感器，实现物理理论指导下的导出物理量的实验测量，扩大课外实验范围。

例如采用传统的实验方法是无法直接用功的定义式来计算变力做功的，但是可以利用物理结论：功是力在位移上的积累效果。可将力传感器和位移传感器组合起来准确测量变力做的功。再如研究力的动态分解（见图9），研究斜劈侧面压力的变化（见图10）等课外实验。尤其是在研究力的动态分解时，实验者可通过两个力传感器组合与斜劈夹角对应的数据关系，一下子就能理解合力不变时分力的大小与其夹角的定性关系。进而通过数据分析验证定量计算公式：

3 数字化实验教学中的误区

数字化实验打破了传统实验教学的固有模式，使中学物理实验教学更具有自主性、开放性和探索性，为开展较高层次的实验探究和创新性学习提供了可能。但是数字化实验教学仍将不可避免的会产生许多无法预料的问题，应未雨绸缪，在数字化实验教学中注意和处理好常见的一些误区，避免走弯路，提高实验的效率和效果。

3.1 忌穿新鞋走老路

物理新课程理念十分注重进行物理实验的探究，把实验探究作为体现物理教学三维目标中知识与技能、过程与方法的重要组成部分。这种探究对教师来说就是探究教学技巧和方法，对学生来讲是进行探究性学习和进行创造性活动。其实质就是让学生学习运用一定的科学思维程序去探索新知识、掌握新方法的过程。但有些教师根本就没有弄清开展实验探究活动的目的，仍然穿着“新课程改革，探究式教学”的新鞋，走着“重知识轻能力，灌输式教学”的老路。

具体表现为在实验课教学中只重视数字化实验呈现的结果而忽视对实验结果的获取原理、方法、过程的理解和消化。因此，在实验课教学中常常不给学生对实验的假设、方案、流程进行思考分析的时间，还会习惯性的采用简单的程式化的自问自答的师生伪互动模式。完全忽视了学生的主动性，把学生的思想禁锢在一个没有任何独立思考、机械呈现的被动框架内。这种空心化、简单化、表象化的探究性实验，抛弃了深入研究 “为啥做，做什么，如何做”这一提高学生探究学习能力的实践途径，这实际上完全违背了数字化实验的初衷。数字化实验本来就简化了过程性的环节，以留出更多时间给学生思考和分析，锻炼学生的高级思维能力。如果这样做无非是用数字化实验的形式将传统的“填鸭式教学”换了一副“马甲”，加快了“电灌”的速度而已，学生将会更难以“消化”。

究其原因，还是教师自己担心学生不能正确及时的回答实验教学所面对的问题而拖延和浪费课堂教学时间，所以在教学中常常越俎代庖，以图省事。但往往事与愿违，欲速则不达。

3.2 忌重主体轻指导

在数字化实验活动中，学生面对问题情景时如何发现问题，提出问题，进行思考和判断，进而设计实验方案，进行验证总结，在这一过程中绝对不能忽视教师的引导。鉴于数字化实验智能化的“黑箱”模式客观上压缩了实验教学进程的许多过程，缺失了对不同实验现象的过程进行观察、体验、比较的环节，因此在如何促使学生进行目标实验的论证、猜想和假设，如何进行实验流程的设计和规划等方面，教师更应该有意识地加强指导。在实验能力形成的系统性训练方面应进一步引导学生理解和掌握一些基本的探究原理和方法。正因为如此，在实验探究活动中教师不能仅仅是一个完全依赖机器的旁观者，更应该是夯实学生基础实验技能的指导者。尤其要杜绝的是将学生进行的数字化实验搞成看起来很热闹，实质上表面化的、粗放式的、随心所欲的课堂做秀。

3.3 忌重硬件轻“软件”

数字化实验教学需要必要的教学资源，特别是在新课程背景下的课堂教学中，没有适当的硬件器材，有些实验教学就难以进行下去。经常有些教师抱怨：“实验室的实验器材太少，档次太低”。以“巧妇难为无米之炊”为由在黑板上“做”实验，甚至直接放弃。因此，一些原本探究性的实验被改为讲授，原本该分组验证的实验就简单的通过放视频或动画演示的方式草草带过。

那么，面对相对比较匮乏的实验设施，该怎么办呢？答案只有一个，那就是没有“硬”的就来“软”的，充分发挥师生们的聪明才智和主观能动性，自己动手“丰衣足食”。应该想尽一切办法运用数字化传感器对传统实验器材进行改造，使其“旧貌换新颜”，提高舊设备的“附加值”，同样能“鸟枪换炮”，圆满达到实验目标。

3.4 忌重结果轻过程

实验教学是培养学生基础知识、观察能力、思维能力、动手能力、协作能力和交流表达能力的综合实践活动，参与实践的每一个环节和举措都是有意义的。

数字化实验的高效快捷在某种程度上弱化了实验过程的体验，但对学生实验活动过程的评价却不能弱化，反而要加强。要遵循全面、公正、及时、准确的原则，要具有发展性。在重视对数字化实验结果评价的同时要兼顾在每一个实验环节中对学生的阶段性评价，并且在评价时不要随便发表带批评性质的结论性语言，要在话语之中多传递鼓励和引导。例如“试试看”、“要相信自己”、“已经很不错了”、“再想想办法”等。因为恰当而富有创意的评价可以使学生及时感觉到自己的进步，发现自己的潜能，促进学生正确的学习方法、良好思维习惯的尽快形成，为学生的全面发展奠定基础。

总之，数字化实验虽然丰富和完善了物理实验教学的内容，改变和突破了传统的实验教学方法，开创了一种全新的实验教学模式，但是在物理实验教学中仍需准确把握数字化实验与传统实验的优劣，扬长避短，一切从学生的实际和实验的性质出发，合理搭配实验设备，科学选择实验方法，只有这样才能真正提升实验教学的档次，促进实验教学的现代化，更好的培养学生的创新意识和实践能力，为学生的终身发展奠定坚实基础。

参考文献

[1]苏明义，魏南霞.普通高中物理课程分析与实施策略[M].北京：北京师范大学出版社，2010.

[2]刘云览.DIS实验技术在物理教学中的实践研究[D].上海：华东师范大学，2006.

[3]楼佳萍.利用DISlab研究通电螺线管中磁场特性[J].物理教师，2007，28（11）：35+40.