D I S系统在物理演示实验中的作用

佟 蕾

（渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121000）

随着信息技术的不断发展，一种以计算机、传感器和数字采集器为主的DIS（Digital Information System）数字化信息系统正在逐步走进中学物理课堂，服务于课堂教学。DIS系统是利用电脑做终端，通过连接数据采集仪、传感器和传统仪器共同完成物理量的测量，观察物理现象，探索物理规律，是新一代智能化实验教学仪器，其工作原理如图1。与传统的实验仪器相比较，它有很多优势，例如测量精度高，处理速度快，数据精准丰富，图像形象生动，不仅节省了大量的课堂教学时间，还可以拓展课外实验，激发了学生对物理实验的兴趣和创新意识。[1,2]DIS系统可以说是信息技术与物理实验的完美结合。本文就几个演示实验的案例来介绍DIS系统在物理演示实验中的作用。

图1 DIS系统工作原理图

1 动态实验过程，深入理解概念

DIS系统不仅可以完成所有传统实验内容，而且实验过程更为简便、直观，特别是其动态的展示实验过程，即时输出实验数据，学生可以观察所得图像，分析图像特征，总结物理规律，能帮助学生更好的理解物理概念和物理规律。

如传统演示实验中验证牛顿第三定律，通常选两只弹簧测力计，然后互相对拉，看两个测力计的示数是否相同。在实验过程中学生无法同时观看两个侧力计的读数，这样就给实验带来了偶然误差，同时传统实验无法展示作用力和反作用力的动态变化关系。而利用DIS系统的力传感器，设置两个通道，用正负表示方向，可以形象的表现出作用力和反作用力的动态变化关系，如图2。

图2 作用力和反作用力图像

2 实验数据精准，处理方式多样

DIS系统中的传感器包括力、运动、电流、电压、压强、温度、声、磁等十多种，可测量的物理量十分丰富。除了传统仪器可以测量的力、电等物理量，还有一些是传统仪器无法测量的，如声波、磁场等。同时实验数据采集系统所使用的传感器分辨率高，而且有多个量程，如温度传感器的分辨率为 0.01°C，量程-50°C～+250°C；双量程电压传感器分辨率为1mV/0.01V，量程-1.5V～+1.5V/-15V～+15V等。采集周期最短为 20μs，频率达到 104Hz。

在数据显示方面，在计算机上对于连续采集的数据有图像、表头或数据三种不同的数据显示方式；同时可以对生成的曲线拟合公式，用于数据分析。

如用DIS系统研究通电螺线管内部的磁场。将磁传感器置于通电螺线管的一端，然后沿轴线方向匀速进入，得到其内部磁感应强度随时间变化的图像（图3）。通过图像可以得出以下结论：(1)螺线管内部磁场是呈对称分布，中间部分磁场最强，两端磁场较弱；(2)螺线管中间部分可以近似为匀强磁场。

图3 B-t图像

图4 B-I图像

3 节约操作时间，利于深入讨论

DIS系统操作简单，只要对该系统进行简单的了解，从实验操作到软件操作，都很容易完成。在实验过程中可以对实验数据实时采集、处理、绘图、存储以及打印过程。下表列举了几种常见的物理演示实验用两种不同方法在数据处理时间上的比较，DIS实验的时间包含了曲线拟合函数和公式运算的时间。

表1 传统实验和DIS实验数据处理时间对比

以上数据表明，利用DIS系统处理数据可以比传统实验节省70%以上的时间，同时减少实验的偶然误差。利用DIS系统演示实验，一方面使得一些实验周期较长，不适合作为演示实验的题目顺利进入课堂教学，另一方面节省的时间留给师生对实验结果以及相关问题进行深入的交流和讨论，可以有更多的时间开展探究式教学。

4 激发学生兴趣，培养创新意识

高中阶段的物理课程要给学生提供必要的科学探究机会，让学生通过自己思维、动手实验、查阅文献等，体验探究过程的曲折和乐趣，发展科学探究的能力，增强对科学探究的理解。[3]传统实验教学过程是教师的讲解和学生的重复，内容毫无新意，同时经典物理内容与现代高端的科技手段相脱节，无法吸引学生兴趣。

与传统实验相比，DIS实验则更加侧重于培养学生的自主探究的能力以及创新意识。利用DIS系统，设计新颖的实验，与实际生活联系，可以让学生在实验中获得成就感，产生进一步探究的兴趣。[4]例如，用长导线与微电流传感器相连，使导线位于东西方向在空中摇动导线，计算机显示出导线中通有交流电，这正是由于导线切割磁感线而产生的感应电流。实验中将看不见的地磁场的磁感应线通过计算机数据展现出来，体现了现代信息技术的高能力。通过看到这个现象还可以让学生进一步改变导线的方向，通过不同的结论得到地磁场的确切方向，然后深入到理论的学习。

从以上实例中可以看出，在物理演示实验教学过程中加入新型的DIS数字化信息系统，既充分发挥了现代技术对于物理教学中的作用，还有利于激发学生的学习兴趣，培养动手能力和操作意识，可以缩短我国与先进国家实验教学仪器上和教育理念上的差距，复合我国实验教学改革方向。

［1］文林，李会.基于 DIS 的超重失重实验研究[J].科技信息，2013(21)：47-48.

［2］王劲存，仲扣庄.用DIS探究影响滑动摩擦力的因素[J].物理实验，2010，30(5):25-26.

［3］中华人民共和国教育部.普通高中·物理课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003，56.

［4］杨利平，浅谈DIS实验系统的应用与学生创造性思维能力培养[J].现代物理知识，2010，22(6)：40-42.