数字化实验在初中物理实验教学中的应用

张宁波

摘 要：本文从教学实践的角度，阐述了数字化信息系统（DIS）在两个具体的实验教学案例——探究电流与电压的关系实验教学和探究磁铁周围的磁场实验教学中的应用，通过将传统的实验教学与DIS实验结合的尝试，有效地提高了实验的效率。

关键词：数字化实验；初中物理实验；物理实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0059-2

数字化实验（DIS）是信息技术与物理教学整合的重要基础。数字化实验室的设备主要由传感器、数据采集器、计算机、配套系统软件及配套教具等构成。它以真实实验为基础，通过各种传感器替代传统的仪表，通过数据采集器将采集到的实验数据送往计算机进行数据处理、图线分析，借助计算机平台更直观地显示物理现象，更深刻地揭示物理规律。传感器是数字化实验室的重要组成部分。传感器包括力传感器、位移传感器、声波传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、压强传感器、磁感应强度传感器等。它能够快速、高精度地适时采集物理实验中力热声光电等各种变化着的物理量数据。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是开展物理探究教学的两大技术支撑。

下面列举两个笔者在初中物理教学中利用DIS数字化系统的实验创新教学实例。

案例1 探究电流与电压的关系

传统教学中，学生进行分组实验时利用滑动变阻器多次改变定值电阻两端的电压，分别用电压表和电流表测出电压值和对应的电流值，再在坐标系中描点作图，通过数据和图像得出结论。但一节课的时间里，学生既要设计实验方案，包括设计实验电路和实验表格，又要完成定值电阻的电压、电流值的多次测量，需要较长的时间。而且，如果电压值取得太接近或者不是倍数关系，测出的数据不容易得出结论。因此，在实验前，很多教师往往会提醒学生使电压成整数倍变化，这样做的结果是学生确实容易发现规律、总结出结论，但是“探究”的意味就淡了许多，原本生动有趣的实验也变得枯燥乏味了。若非如此，学生就需要更多时间来进行更多次的实验，一节课的内容又很难完成。

应用DIS数字化系统就很轻松地解决了这个矛盾。

实验过程和数据分析：

1.按电路图连接电路，为使结论具有普遍性，将一个5 Ω和一个10 Ω的定值电阻串联进电路进行实验，用电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表分别测定值电阻两端的电压和通过定值电阻的电流。

2.将电压传感器和电流传感器分别接入数据采集器。

3.打开计算机，进入数字化信息系统软件，新建实验，设置电阻的电流-电压关系图线。

4.闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，改变定值电阻两端的电压，测量多组电压和电流值。计算机根据得到的电压值和电流值实时在界面上生成电流-电压关系图像，如图1所示。

⒌分析所得的实验数据和图像，得出结论。

从图像中能明显地看出通过定值电阻的电流与定值电阻两端的电压成正比。将电压、电流传感器引入测量小灯泡的电阻教学，就可以在很短的时间内清楚地记录下电流随电压变化的曲线。使教学手段更多样，促进教学目标的更好达成。使用数字传感器的好处一是时间短，通过设置，每隔0.1 s就会有一组电压电流数据对应的点描绘在坐标系中，因此在较短的时间（几秒钟）内就会有几十个点记录下来，同时生成I-U图像。二是数据多，结论更可靠。由于采集的数据较多，因此图像较为理想。

案例2 探究磁铁周围的磁场实验

实验装置如图2所示：

1.将磁传感器接入数据采集器。

2.打开数字化信息系统软件，新建实验，设置磁场强度-时间图线，时间设置为1 min，时间间隔设为10 ms。

3.将磁传感器探头向下，在条形磁体表面从条形磁体的中间开始匀速地向一个磁极移动（如图3），再从一个磁极匀速向另一个磁极移动，如此往复，测出磁场强度随时间的变化。

4.观察图像，总结条形磁铁周围的磁场分布特点。

应用磁感应传感器可以使学生明显地观察到电磁铁周围磁场强弱的变化，使我们肉眼看不见摸不着的磁场变得显而易见。

由以上数字化实验教学中的应用看出传感器的介入提升了实验的效率图像的展示，进一步培养了学生的观察能力和分析能力。让教师无需语言的赘述，通过理性的数学分析得出，使学生的认知水平得到提升。但数字化实验也存在一些问题，比如不利于学生对传统实验仪器的熟练操作和正确使用。同时，数字化设备对学生的科学探究方法、学习能力、创新能力、数字处理能力有较高的要求。因此，教师在教学过程中就必须再学习，必须接受新仪器、新手段，才能掌握好新的科技手段，并用在自己的教学工作中。

参考文献：

[1]徐蓓蓓.物理DIS实验与探究式教学的整合和案例研究[D].上海：华东师范大学硕士学位论文，2010.

（栏目编辑 王柏庐）