高中物理传统实验与DIS系统有效整合——以测电源电动势和内阻为例

朱剑敏

（福州格致中学，福建福州 350001）

随着高中物理实验教学的不断改革，新课程标准加强课程内容与生活中物理以及现代社会和科技发展的联系，关注物理学的技术应用所带来的各种问题，引导学生积极参与、乐于探究、善于实验，倡导教师通过多样化的教学方式，利用现代信息技术增强科学探究能力和解决问题的能力。［1］而DIS是一种新型的实验手段，它正慢慢走进高中物理课堂，不仅提高了物理教学课堂的实效性，还对学生探究能力的提升和物理核心素养的培养起着重要的作用。

一、DIS技术和传统实验的优劣对比

在中学物理的传统实验中，由于实验仪器的精度不高，实验工具选取不当或者是人为操作失误等，经常会出现一些偶然误差，以至于必须反复的操作，影响了实验的进程，有时也无法得到理想的实验数据，实验的成功率较低。

DIS指的是“数字化信息系统”，是由“传感器+数据采集器+计算机”构成的新型实验系统。［2］DIS实验通常指在实验过程中利用传感器获取实验数据、通过数据采集器采集实验数据，利用电脑记录并处理实验数据，得到实验结果。［3］该系统代替了学生的手工记录、采集和处理数据的过程，大量地减少了人为因素导致的误差，使得学生能在一节课的时间内完成实验，并且让学生能结合物理的一些知识自主地去设计实验，培养了学生的创新意识，调动了学习的积极性。

DIS系统中实验器材精密，对实验数据记录实时高效，应用范围广，可靠度高，还可以绘制出各种函数图像，缩短了学生分析数据的时间，可以直接从图像中分析物理规律，完成了教育教学目标。比如，在学生探究牛顿第二定律时，数据收集和处理就很复杂，误差也较大，而通过DIS效率明显提高，可以节省更多的精力去进行误差的分析与研究，接着我们通过DIS系统作出的图像，发现图线弯曲而偏离正比例直线的现象，从而引导学生去进行误差分析。接着教师可以立足于学生的认知水平和学习能力来设计问题，并留给学生充足的时间利用DIS去完善、改进实验，例如以小车和钩码的总质量不变，把系统作为研究对象，以作为横轴，这样图像便化曲为直，使其直观地反映出两个变量之间的关系。在这种教学方式的指导下，学生的各项技能和能力将会得到最大程度的发展和提高，有效促进高中学生科学素养的提升，真正实现高中物理实验教学的教育功能。

任何一样事物都利弊，在其优点背后同样存在着缺点，DIS实验系统特别是在电学实验方面的运用，缺少了培养学生实验基本技能的过程和机会，弱化了学生动手连接实物电路的能力和对数据的分析计算能力培养，忽视了对学生基础技能的培养，简化了实验过程。而传统实验教学中，则可以运用实验器材让学生动手操作实验步骤，强化了学生的动手能力，将实验现象更加直观地展示给学生，加深记忆，并且让学生通过小组探究进行创新，从而拓展了学生思维，分析了实验中的误差及不足，并加以改进和完善，提升学生的学科核心素养。

因此，总结DIS系统和传统实验的优劣之后，教师要在传统实验中引入DIS实验技术，二者有效地融合在一起，发挥各自的优势，扬长避短，改进实验，从而提高实验的实效性，并将物理实验教学的价值发挥到极致。

二、巧用DIS实验分析实验误差并加以改进电学实验——以测电源电动势和内阻为例

很多物理实验其实都存在误差，但误差并不可怕。高中物理的实验教学中，许多是定量实验，教师在实验教学过程中，除了要让学生学会通过实验数据来验证或推导出物理规律，还要引导学生学会正确分析实验误差的来源、如何减小实验误验误差、如何改进实验，让他们能亲身体验，敢于挑战，激发他们的潜能。

现以电学实验——测电源电动势和内阻为例，由于传统电学实验精度不够，实验结果就比预期相差甚远，而教师在教学过程中基本是利用理论教学方式来解决问题，这样便无法激发学生的学习兴趣，更谈不上创新能力的培养。在测电源电动势和内阻的实验中，有以下传统的实验器材：电压表、电流表、滑动变阻器、电源、开关、导线等，然后学生组成两种电路——电流表外接法（甲）和电流表内接法（乙）（如图1），接着有两种分析数据的方法，一是利用平均值法来减少实验误差，就得多测几次算平均值；二是利用测出的数据标识在坐标纸上并作图，通过画出的函数图像得到电源电动势和内阻，而这两种分析方法则大大延长了实验时间，作图也存在着很大的偶然误差，再加上该实验仪器的本身限制，使得该实验就一定存在系统误差，所以综合下来数据就跟预期偏差较大。为了解决这个问题，教师可以引入DIS实验，由于DIS能实时记录数据并高效地分析数据，大大缩短了计算时间，而且电流传感器和电压传感器精度较高，用它们来代替电流表和电压表（如图2），把电流传感器、电压传感器分别接入数据采集器端口连接计算机以记录数据和分析数据，接着学生通过分析实验原理，推导出x轴和y轴所对应的物理量，进行一次函数拟合，得到函数拟合图像（如图3），分析一次函数图像中斜率和截距的意义，继而得到我们所需要的电源电动势和内阻的值。

图1

由于DIS传感器精度高，两组实验方法数据基本接近。但在传统实验仪器中，电流表和电压表并不是理想电表，所以该实验存在系统误差，而本节课的目的除了要求学生通过电路设计测出电源电动势和内阻，最关键的一环是要求学生学会利用函数图像对两种不同实验进行误差分析——图像修正法（如甲-图4、乙-图5），所以学生要回归到传统的实验电路中，借助DIS图像分析实验误差，最终得到两种实验不同的误差，图甲电流表外接方法，通过图像修正可以快速、直观地得到E测=E真，r测＞r真；图乙电流表内接方法，则得到E测＜E真，r测＜r真。通过利用DIS结合传统实验仪器的实验探究，让学生经历与科学工作者相似的探究过程，从而领悟科学探究方法，发展科学探究能力，体验科学探究的乐趣，养成勇于创新的科学精神。

图2

图3

图4

图5

把传统的实验仪器和DIS实验技术有效地整合起来，不仅为学生后面的数据分析和误差分析提供了充足的时间，一节课高效地完成了实验，而且锻炼了学生的实验动手能力和数据分析能力，并为后面学生的实验创新提供有效的保障，从而提升学生的实践能力和创新能力。

本节课教师还可以进行实验拓展，让学生分组讨论，自主创新设计其他测电源电动势和内阻的实验电路，比如说若只用到一个电压表或者一个电流表，能否测出电源电动势和内阻？如何选择仪器去设计电路？在这个过程中因为DIS系统所配备的只是一块简单的电路板，无法进行实验创新，所以要借助传统实验仪器进行研究，结合DIS系统进行数据的处理和分析。整节课给学生创设了新的物理情境，让学生各项科学技能和思维能力得到最大程度的发展，有效促进高中学生物理学科素养的提升，真正实现实验教学的教育教学功能。

传统物理实验是学生获取知识最直接的方法、最真实地感受，由于它是学生亲自动手来完成实验，通过实验观察发现规律，印象深刻，激发浓厚的实验兴趣，是培养学生基本的实验技能重要渠道。而DIS系统的直观、快速、准确等优点正是弥补了传统实验的不足，它也有助于精准、快速地分析实验数据，从而得出实验结论。所以在高中物理实验教学中应当将二者进行优化整合，从而提升高中物理实验教学的效益。当然，有些实验适合传统实验，有些实验适合于DIS系统，而有些实验则适合二者的结合，并且从中选择最有益的实验方法，只有这样才能发挥高中物理实验的最佳效果。

DIS系统与传统实验教学的融合是目前高中物理实验教学的趋势，教师引导学生自主探究实验，通过自身知识进行创新研究，并将物理知识灵活地运用于生活之中，进一步提升学生核心素养。在今后实验教学中教师要摆正态度，合理地使用和融入DIS系统，充分发挥其最大的价值。