DIS系统在物理实验教学中的应用与思考

徐聪

《全日制义务教育物理课程标准》提出：“物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力，……鼓励在物理教学中合理运用信息技术。”

可见，物理学科教师应树立把科学探究作为改革传统教学模式的重点。如何在实验教学中创建合理的科学探究平台，以期达到更有效地对学生终身学习愿望、科学探究能力、创新意识以及科学精神的培养，这从某种程度上决定了物理教学的效果。

上海市二期物理课程改革更加突出实验教学，要求实现实验手段多样化和现代化。然而传统的实验器材与设备不仅很难满足学生发展的需要，有些还成为阻碍实验教学质量提高的瓶颈。

以沪教版八年级第一学期第三章《二力平衡》一课为例，“力的平衡”是力学重要知识点，在现行教材中，由实验探究得出“二力平衡的条件”是本节的重点内容，一个传统且常用的实验设计是将一小车模型放在水平木板上，小车两侧通过细线连接钩码，利用定滑轮将钩码的重力转换成对小车的拉力。通过对该实验的全过程进行梳理，不难发现存在几个不够严谨之处。

学生通过该实验探究，应当得出当一个物体只受二力时，若处于静止的平衡状态，两个力的大小必须相等。但因为小车并非只受水平方向上的二力F1和F2，在竖直方向上还受到重力和支持力，需要教师作出必要的解释。另外，该实验难以探究物体处于匀速直线运动时，水平方向上两个力的特点，因为小车运动后会由于受到阻力而减速，并非做匀速直线运动，这使得该实验的说服力大大降低。

当小车转过一定的角度，二力不在一条直线上时，小车不能平衡，说明二力在同一直线上也是二力平衡条件之一。但在小车转动时，同样会受到摩擦力的干扰，學生实际实验探究过程中，会发现小车即使和细线不再一条直线上却仍然静止的情况。这也需要教师作出必要的解释，并对学生实验做进一步指导。

该实验依据的是小车两侧受到绳子的拉力，而这二个力与所挂质量相等的重物的重力相等，从而推断出小车两侧所受拉力相等。由于学生还没有关于力的充分的基础知识作准备，存在着诸如：滑轮是干什么的？为什么重物对小车的拉力等于重物的重力？……等问题，在这些问题没有搞明白之前，学生观察实验时大都会感到困惑不解，很难直观地理解二力平衡的原理。

综上所述，该传统探究实验存在较大的缺点，那么能否设计出一个更合理的“二力平衡条件”探究实验呢？DIS数字化实验系统或许可以给出更好的方案。

DIS是Digital Information System的缩写，是一种用于实时采集数据的智能化系统，由传感器、数据采集器、计算机系统及配套软件构成。DIS运用不同的传感器进行数据采集并通过A/D转换输入计算机，由计算机通过相应的软件对信息进行数据和图形分析处理。在“二力平衡”一课中，与传统实验手段相比，应用DIS这一现代信息技术进行教学可以对上述问题作出更好的改进。

1.DIS实验系统通过传感器提高数据精度

DIS实验系统能摒弃一些传统实验中误差很大的实验器材，减少因为测量器材的误差带来的实验误差。本实验中，利用力传感器进行“静止”物体所受二力的测量，可以精确到小数点后0-2位，并可根据需要对精确度进行选择，数据一目了然。

2.DIS实验系统大大提高了实验的速度

传统实验在处理数据方面总有力不从心的感觉，因为缺乏有效的手段来处理数据，所以往往不要求在大量实验数据的基础上来做研究，而数据数量少又不符合科学研究的规律，甚至有时候难以得出正确的实验结论。

而由于DIS实验系统具备“实时采集”的功能，数据采集、处理和图线描述都由计算机完成，所以师生们可以从数据读取、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来，从数据的数量和数据的真实性来说都比较理想；且每隔一定时间进行自动采集并记录，大大提高了实验的效率。

3.DIS凭借数据处理技术使结果显示多样化

物理语言不仅包括数字、公式、概念等，还包括“图像”这一重要的描述方式。教材中关于物体的运动规律，如：振动和波形图，路程-时间的关系等，都大量应用了图像。但受限于传统的实验方法，教师和学生在实验中获得数据并转化为图像相对繁琐费时，反而导致在物理学习中疏于应用这一方式。

在“二力平衡”实验中，利用两个力传感器，并通过软件将实验中力的大小实时动态显示，并建立坐标轴，横轴为t轴，纵轴为两个拉力。二个力的大小关系尽显图中。促进了学生以物理学的思维方式去读懂图线、建立模型。

4.DIS Lab凭借传感技术弥补传统实验中多个测量空白

由于DIS实验系统相对完善的数据处理软件，可以设计出很多借助传统实验装置想做而做不好的实验。如以往的二力平衡实验很难做出“匀速直线运动”状态下物体所受力的特点，不仅因为物体运动时，用弹簧测力计很难读数，更因为很难控制物体做匀速直线运动。

在利用DIS系统进行这一难点突破时，可以利用小电动马达竖直向上拉起钩码，并利用光电门传感器、分体式位移传感器测量钩码通过的路程和速度，并通过“线性拟合”等功能，以图像的方式显示出物体的运动状态——即学生熟悉的s-t图像，以及拉力和重力的大小关系。通过这种方式，学生能更容易得出匀速直线运动状态下的平衡力条件。

综上所述，DIS实验系统相对于传统实验具有操作简单方便、自动化程度高等诸多优点。使用传感器做实验便于形成直观的、反映物理规律的图像，便于学生深入研究物理现象和规律。

但我们也应当看到，并非所有初中物理教学都真正适用DIS实验系统。教师不应盲目乱用DIS实验，更不能抛弃传统实验。因此，必须适量、适度地使用DIS实验，使DIS系统和传统实验相结合，充分发挥传统实验和DIS实验的优势，让DIS系统更好地为初中物理教学服务。