促进学生科学探究素养提高的DIS实验教学

科学探究是基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的过程。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。教师在高中物理教学中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验。它在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位。应用信息技术采集和处理数据可以极大地促进学生科学探究素养的提高。

数字化信息系统（DIS）指在实验数据的采集、传输及处理方面采用传感器和数字电路等技术，将实验数据上传至计算机，由特定的软件加以计算、处理，最终得出实验结果的新型实验教学体系。数字化实验系统作为现代教育技术，已被引入到中学物理教学之中。数字化物理实验与传统实验相结合，可保证物理实验的真实性，提高实验的可视性，使学生的感知更加具体、形象、丰富，为学生的科学探究开拓广阔的空间，为学生进行大胆的想象提供有力的物质保障，促进学生的认知，提高课堂教学效率^[1]。

巧用DIS实验，激发学生学习物理的兴趣，对调动学生积极性、主动性及提高学习效果有着重要的作用。下面，笔者以“描绘小灯泡伏安特性曲线”为例，具体介绍。

一、巧用DIS电流和电压传感器，提高学生获取证据的能力

“描绘小灯泡伏安特性曲线”是选自人教版高中物理教材3—1第2章第3节的学生分组实验。笔者引导学生参与该实验探究活动，正确选择电学实验仪器，合理地设计实验电路进行实验。图1是该实验的原理图，图2 是实物连线图。

用传统方式开展实验时，师生使用普通电流表和电压表获取证据，存在较大误差，导致实验精度不够。

本次实验探究中，笔者用电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表。改进后的实验实物连线图如图3所示。

学生根据电路图和实物连线图连接电路并检查（如图4），检查无误后，开始采集数据。然后，闭合开关，逐渐调节滑动变阻器滑片，观察小灯泡亮度变化情况，同时记录电压、电流传感器的示数。

传统的指针式电表存在一些不足：使用时需要人工读数，误差较大，读数过程中也容易出现错误，造成实验失败。利用传感器采集实验数据优势明显：通过软件，可以直接将电压、电流信息以数字形式显示并记录在对应的表格中，方便快捷。通过DIS实验训练，学生获取证据的能力从水平2提升到了水平4^[2]（见表1）。

二、妙用DIS实验软件，提高学生对实验数据的解释和交流能力

实验结论的获取依靠实验数据的获取，更多的是依靠实验数据的解释。很多学生能获取精准的实验数据，但不会利用数据进行合理解释并推测实验结论，难以提高依据证据、运用逻辑和利用知识进行科学论证和解释的能力。

在传统的实验中，学生通过实验表格中的数据，在实验方格纸中用描点法作图。在力学实验中，描点法作图已经有大量的训练。学生对描点法作图掌握得已很到位了，所以作图本身不是本次实验的重点。这项工作完全可以通过DIS实验软件自带的作图功能完成。软件还能将描绘出的点用线连接起来（如图5），再让学生进行分析。

观察图像形状，可以判断小灯泡的电阻随着电压的升高而升高。因为随着电压的升高，小灯泡的亮度增加，温度升高，小灯泡内钨丝的电阻率会随着温度的升高而增大，电阻值也增大。小灯泡的-图线不是直线。软件也能快速计算出每组电压、电流值所对应的电阻值，从而进一步验证学生分析数据结果的正确性。通过DIS实验，学生对数据的解释能力从水平1提升到了水平3（见表2）。

当然，DIS实验系统的通用软件可以实时记录实验过程中电压、电流随时间的变化情况，并用图像来显示，还能将电压、电流的变化情况放在一个图像中进行对照（如图6），为学生的数据分析提供了支持，帮助学生提高科学思维能力。

三、通过DIS实验深入挖掘，提高学生发现问题的能力

在物理实验中，教师应发掘实验在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在价值。教师要善于利用实验数据测量的意外，让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发新问题。

在“描绘小灯泡伏安特性曲线”分组实验中，学生往往会犯一些错误，如调节滑动变阻器滑片过快，弄反开关闭合前滑动变阻器滑片的位置。在用传统器材进行该实验时，很难发现这些操作有什么问题。用DIS实验传感器来探究该实验时，如果迅速移动滑动变阻器的滑片，会发现流过小灯泡的电流出现一个波浪形的图像（如图7）。如果滑动变阻器滑片的初始位置不对，闭合开关时，流过小灯泡的波浪形图像更厉害（如图8）。这样的电流在物理学中称为浪涌电流。本实验中，由于电压、电流变化过于迅速，而导体温度的变化赶不上电压、电流的变化，导致导体电阻的变化滞后，从而形成了浪涌电流。

在用传统的电压表和电流表来探究该实验时，由于电表指针转动不够迅速，而且指针指示的数据没有滞留效应，很难让学生发现浪涌电流的存在。利用DIS实验，能够直接把电流的变化过程通过图像显示出来，从而让学生在实验中成功捕获到浪涌电流，给学生的探究带来了意外的收获，也有利于提高学生发现问题的能力。

从表3可以看出，利用DIS实验开展探究活动确实让学生分析问题的能力提升到了水平4。

四、通过DIS实验装置的改进，提高学生实验技能

既然发现了浪涌电流的存在，那么浪涌电流有哪些危害，如何有效地减小浪涌电流呢。学生通过网上查阅资料了解到浪涌电流的主要危害有电源输入熔断器熔断，机械开关或断路器粘连失效，插入插座时产生打火现象，电源前端接入整流桥容易被击穿损坏等。有效减小浪涌电流的方法有串联温度系数热敏电阻、接入瞬变二极管、串联自恢复保险丝、串联低频扼流圈等。

下面，以串联低频扼流圈的方法来验证能否有效地减小浪涌电流。学生在电路中串联低频扼流圈（如图9）。

实验发现，浪涌电流虽然没有完全消失，但减小得相当明显（如图10）。实验证明，通过串联低频扼流圈的方法的确可以有效地减小浪涌电流，从而有效地减轻浪涌电流带来的危害。

笔者让学生对实验装置的改进、再探究，使其正确认识到科学的本质，通过小组合作，提高学生与他人交流的能力，实事求是，基于证据和逻辑发表自己的见解。为了减小浪涌电流带来的危害，师生改进了物理实验。这也促进了学生实验技能的提高。

DIS实验给教师的教和学生的学带来了很多有益的、根本性的变化。当然，传统实验的优点也很突出，有些传统实验用DIS是无法完成的。传统实验不可完全退出，传统实验和数字化实验两者各有所长，可以取长补短，相得益彰^[3]（如图11）。

在传统实验中植入DIS传感器，能实现实验数据数字化、图像化，便于学生观察和分析。学生经历电路分析、图像分析、深入探究和实验改进等过程，其科学思维能力和实验技可得到有效提高。

参考文献

[1] 沈英琪，艾伦，李鼎.中学物理数字化实验教学研究[M].东营：中国石油大学出版社，2016：8-13.

[2] 梁旭.如何确定素养目标和素养水平[J].物理教师，2018（12）： 2-9.

[3] 沈炜.DIS实验在初中物理课堂教学中的实践与思考[J].物理教学，2016（7）：39-42.

（作者陈晓平系浙江省海宁中学教师;赵惠松系浙江省桐乡市凤鸣高级中学特级教师，副校长）