充分应用DIS技术提升物理教学效益*

文 周廷明

充分应用DIS技术提升物理教学效益*

文 周廷明

物理学是一门以实验为基础的自然科学，高中物理新课程标准对物理学科探究及实验能力有很高的要求，强调让学生体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响，应促进学生自主学习，让学生积极参与，乐于探究，勇于实验，勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。同时在高中物理新课程三维目标中也提出：“培养学生信息收集的能力、分析解决问题的能力和交流合作的能力”。

但现实是在教学过程中，由于升学考试的压力和实验设施等诸多因素的限制，许多高中物理中的实验无法在课堂上展示给学生。现在这一状况能有很大改观，DIS实验设备能很好地完成一些利用传统实验手段无法实现的实验操作及过程。我校在数字化实验室的建设上投入了很大的人力与物力，建立了物理数字化实验室，引入了20套EDISLAB 艾迪生数字化实验系统，在校领导和上级相关部门的指导帮助下，开展了许多DIS实验的教学，并在区上多次承担DIS教学的公开课，很好体现了新课程“加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系”的理念。

一、借助DIS测量瞬时量 建立概念

例如在进行“电容器和电容”这一节教学时，通常的处理方式有2种，一种是通过类比直接告诉学生电容器带电量与两极间电压成正比，得出电容的定义式并加以分析；另一种是通过电脑动画来模拟电容器的充电和放电过程，借助动画得出电容器带电量与两极间电压成正比，掌握比值定义法。受限于教育器材设备，学生不能直观地体会电容器充放电过程，进而理解电容的定义。借助DIS器材，很好地解决了这一问题。

利用DIS数字化实验手段，可以将电容器的充电这一抽象的不可见的过程在课堂上展示出来。我校有20套数字化实验器材，可以把无法演示的实验升级为学生分组实验，在学生已有传感器使用的基础上，较为顺利地完成这一实验并取得了很好的效果。在实验中，利用DIS中的电流传感器（CS400型，±0.6 A/±3 A）实时测量电路中的电流，利用电压传感器（VS400型，±15 V/±3 V）得到电容器两极的电压，将采集到的数据通过高频数据采集器（LabPro 400型）输入到计算机，借助软件的积分功能得到电荷量，从而得到电容器的电容。实验电路（如图1所示），为了让实验现象明显，电容器的电容选择稍大一点的，本文中选用550 μF的电容，打开EDISLAB艾迪生数字化实验系统，在采集数据对话框中做（如图2所示）的设置（因充电时间很短，把采集参数中的频率适当设高一点，使最后得到的图像连续），用高中学生电源（DY-GX-WY-16/2型）提供4 V，8 V，12 V和16 V等不同的电压对其充电，利用软件的积分功能计算出充电后的电荷量与电压，通过分析建立电容器的电容这个概念。

图1

图2

实验结果如下。

第一次实验充电电压为4 V时，实验结果（如图3所示）。

图3

第二次实验充电电压为8 V时，实验结果（如图4所示）。

图4

第三次实验充电电压为12 V时，实验结果（如图5所示）。

图5

第四次实验充电电压为16 V时，实验结果（如图6所示）。

图6

由实验得到的数据（见表1），分析电荷量与电压的比值，可以看出，Q与U的比值是个定值。

表1

再换用不同的电容器重复上面的实验，发现对同一电容器，这个比值是个定值，对不同的电容器，这个比值是不同的，比值越大，反映了电容器储存电荷的本领越大，我们把这个比值叫作电容器的电容。由此，在可靠地实验的基础上得到的电容的概念，是学生最易接受和理解的。最关键的是，在整个教学的过程中，都以学生为主体、教师为主导、实验为主线，用DIS数字化实验系统使不可见的抽象过程真实地让学生感知到，通过这个探究过程，让学生真实地体会到物理学科的魅力，进而提高了学生的分析能力和动手能力，提高了物理教学效益。

在交流电的有效值概念教学中，针对定义：“如果某直流电流I通过一个电阻产生的热量与交流电在相同时间内通过同一电阻所产生的热量相同，我们就说这个交流电的有效值为I”。利用DIS实验可以将有效值的真正意义形象地展示给学生（如图7甲乙所示）。

图7

调节2个灯泡达到相同亮度，用眼睛观察灯泡亮度，其亮度大致相同时可粗略确定2个灯泡的功率为相同，DIS数字化实验系统记录下电压随时间变化的图线（如图8所示）。实验图线清楚地记载着2个灯泡具有相同热功率时的电流—时间图线，曲线表示最大值约为4.8 V电路中的交流电，直线表示直流电源电压约为3.5 V电路中的恒定电流。通过该实验的演示，虽然无法定量得到交流电的最大值与有效值的确切关系，但非常形象地说明了交流电有效值的含义，对“正弦交流电的电流最大值是有效值的倍”的理解也比直接给出结论让学生记住更深刻，也更能体现新课程的理念。

图8

二、借助DIS将短暂瞬时过程形象化

在LC振荡电路中，电流和电压究竟是怎样随时间变化的呢？在原J2434-Ⅰ型电磁振荡演示仪的电容器两端接入电压传感器（VS400型，±15 V/±3 V）得到电容两极的电压， 将采集到的数据通过高频数据采集器（LabPro 400型）输入到计算机，得到振荡电路中电压随时间变化的曲线，形象展示了有阻尼的电磁振荡过程，将短暂抽象过程形象化（如图9所示）。

图9

实验得出的图像（如图10所示）。

在自感现象的教学中，也可采用同样的方式，在小灯泡的两端并上电压传感器（VS400型，±15 V/±3 V）得到小灯泡两端的实时电压，或者串联电流传感器（CS400型，±0.6 A/±3 A）得到实时电流，利用多媒体系统绘制曲线，形象直观地展示这一过程，特别是对断电时灯泡中电流方向的变化以及灯泡的闪亮情况，不仅有实验现象，更有图示，加深了学生对这一问题的理解，有利于突破自感现象难点，提高物理课堂的教学效果。

三、借助DIS促进学生自主探究 升华课堂所学

在高中物理电学这一部分，学生所学的许多内容，在实际生活中能直接用到的，很是有限，借助DIS系统，可以拓展学生课堂所学，如利用DIS数字化实验系统中的磁感应强度传感器可以去研究手机在待机状态下和通话状态下的辐射状况，电视机和电脑等电子设备的辐射情况，研究电磁炉的磁感强度，尝试测量地磁场的磁感强度等，让磁场这一部分内容的学习不仅是在理论上和各种习题的运算上，还可以很好地与实际运用相结合，提升学生的学习兴趣。让学生在应用所学知识的过程中，培养学科素养，“应促进学生自主学习，让学生积极参与，乐于探究，勇于实验，勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。”激发起学生学习物理的强烈兴趣，在此过程中形成的对知识不断探索，对设备快速掌握与应用的能力，将让学生终身受益。

四、对DIS数字化实验系统应用的思考

借助传感器，使新教材的物理内容发生了许多改变，原来不能做的实验现在可以做了，原来做不好的实验现在效果好了，将许多原本抽象无法展示的内容形象地展示在学生面前，很好地体现物理是一门以“实验为基础的学科”的特点。

DIS数字化实验系统涉及较为复杂的电脑软件的使用，放手让学生去做，会不会影响实验的效率呢？会不会用较长的时间学生才会掌握这一软件的使用？实践表明，学生掌握这一软件的速度远超过我们的设想，从小在各种电子设备中长大的这一代人，稍加点拔就能很好地应用这套设备。分组开展DIS数字化实验系统就学生而言不存在问题，要培养学生，也要相信学生。

在教学中长时间应用DIS数字化实验系统，让我深切地体会到，将传感器与计算机相连，充分利用计算机强大的数据处理功能，特别是实时显示数据、数据记录、曲线拟合、求导、积分等，使师生不再为烦琐的数据处理所累，有更多的时间去观察实验现象，发现问题，解决问题。这套系统在信息收集与显示、数据的处理与分析、图像的显示与转化方面具有非常大的优势，这也是这套设备得到广泛使用和迅速推广的原因，让物理教学课堂因此而更加精彩。

但却不能因此而忽视物理实验中的物理实质，如在设备中提供了自感现象实验电路，直接通上电、连接好传感器就可以完成，现成的东西用起来当然方便，但这总让人感觉少了点什么，电路为什么要这样设计？器材选择有什么要求？怎样才能观察到“闪亮”的效果？倒不如提供一些器材自行组装完成这个实验，DIS数字化实验系统只是用来实验的一个平台，记录和处理数据的一种高效的设备。学生能熟练使用，但也不能因此而滥用这套设备，只有在一些特定的实验中才能使用，以体现这套设备的特殊价值，在如测匀变速运动的加速度的实验，使用打点计时器、刻度尺等能很好地完成实验，可以让学生实际测量，在亲自动手去计算的过程中，获得处理数据的能力，而不能用计算机的数据处理能力来代替学生的处理数据的能力。直接用传感器获得数据，在一定程度上掩盖了物理过程，弱化了学生对物理本质的理解与掌握。不能把实验演变成观看计算机获得大量数据。教育装备只有善加利用才会发挥出最大的效能，充分为物理课堂所用，提高物理课堂教学效益。

图11

五、结束语

新一轮的高考改革在全国拉开了帷幕，物理学科的高考也由原来的“3+2”150分发展为理科综合的120分再到新课程的理综的110分。而新的高考方案中，可能执行英语一年多考，减少高考科目，语文、数学高考必考，其他学科根据所选专业，将结业考试成绩计入总分的方案。如此一来，让人有了一些危机感，现在的高中物理的学习，有多少学生是真正的喜欢物理而在学习物理呢？如果学生可以自主地选择参加高考的科目，有多少学生会在高考时选物理考试？作为曾经极大地推动社会发展和进步的物理学科，褪去高考得分这个外衣之后，如何真正发挥自身魅力？这的确是一个值得深思的问题。现在应切实改革物理教学课堂，更新教学手段，转变思路，让学生真正去体会学习和探索自然科学的乐趣，以物理学科独特的魅力去吸引和感染学生，进而真正有效促进课堂教学效益的提高。

作者信息

周廷明，本科，中教一级。四川省温江中学，611130

*本文获第四届城市教育装备合作与发展工作交流会征文优秀奖