基于DIS培养学生课堂核心素养

丁宗星

(福建师范大学平潭附属中学 福建 福州 350401)

随着信息快速发展，信息与教育融合成为一种必然的发展趋势．DIS系统以及配套软件将物理情景与数据信息紧密地结合在一起，在教育领域中作为教育教学测量工具，已被广泛应用在各学科实验探究采集数据以及数据处理，然而大部分教师没有充分利用DIS系统用于教学演示，课堂欠缺数据信息化元素，造成教学资源的浪费，因此如何充分利用DIS系统致力于实验物理教学的相关研究成为广泛讨论的问题．

本文结合实际课堂教师演示实验，提出简单、易于操作的实验方案，借助DIS系统在高中物理实验教学中的实验数据测量应用进行了案例分析，希望能够激励更多的教师在课堂教学中使用DIS系统，充分体现信息化教育，勇于打破传统，大胆提出有创意、又简单可行的实验方案，促进实验教学和情景教学．

1 物理实验DIS系统组成

DIS系统全称数字化信息系统，而物理实验DIS系统主要图形计算器实验系统仪器和计算机辅助实验仪器构成．物理教学通常使用计算机辅助实验仪器，其中包括计算机、测量传感器、数据连接线和计算机软件[1，2]．

2 物理实验DIS系统的测量传感器

高中物理实验DIS系统的常见测量传感器主要有位移传感器、声波传感器电学、电学传感器、力学传感器等等，本文主要涉及到的传感器是电学传感器用于间接测量原电池相关的电学参量[1，2]．

2.1 电脑软件安装

通过相关步骤安装DISLab 8.0 软件，当正确安装完软件后，在电脑桌面上出现如图1所示的软件快捷方式．然后双击该软件弹出软件首页面，选择相应的通用软件模块并点击．

图1 DISLab 8.0简单介绍

2.2 数据采集步骤

采集器有4个通道可以同步采集、处理和显示数据．数据采集器可通过接插有线或无线模块改变与传感器的通讯方式，从而实现四路无线采集．本文实验数据采集器选择接插有线方式．在点击通用软件模块之后桌面会显示如图2所示界面，测量数据之前先对传感器调零，再点击计算表格按钮并点击记录开始测量数据，调节外电阻，外电阻每变化一次则点击测量一组数据，测量大概10组数据就可以结束测量过程[1，2]．

图2 DISLab 8.0通用软件模块

先点击绘图按钮，系统自动弹出横纵坐标轴，可以选取坐标轴信息，选择完毕后点击确定按钮，此时系统会自动将离散的数据点描绘在系统坐标纸内．再通过点击拟合按钮(可以选择不同的拟合函数)将所测得数据进行图像拟合,可以直观得到变化的图像．

3 DIS系统应用案例与分析

下面以“探究闭合电路欧姆定律”片段教学为例，介绍DIS系统在物理教学中的应用.

3.1 教学内容与学情分析

本片段教学选自鲁科版物理必修3第四章第1节．

课标要求：了解电源电动势概念及物理意义，通过实验认识闭合电路欧姆定律的表达式，以及公式应用[3]．

结合教材与课标分析：本节课是学生已经学习化学原电池的原理和构造，以及了解用伏安法测量小电阻时应选择电流表外接法或者试触法的基础．利用化学原电池结构简单、易于测量内部电压的同时又不破坏原电池的完整性的特点，借助DIS测量系统从更深层次入手，探究原电池内压和外压的关联．通过实际实验得出闭合电路欧姆定律的定量表达式．该实验可以科学定量探究闭合电路欧姆定律，以及加强学生对电源外电压、输出功率以及效率随外电阻变化规律的理解，从而引导学生经历科学思维的过程，树立正确的科学观念．

学生已有的知识结构和能力水平：学生在知识上已经学习了形成电流的条件和电流在闭合电路中的流向，掌握了研究电容器充放电的知识，这为科学探究闭合电路欧姆定律的基本过程奠定了一定的基础.在能力上具备一定的抽象概念的辨析、实验观察、数学理论分析和作图等能力，但学生对于实验数据处理以及如何运用图像分析现象存在一定的困难，这需要教师结合实验与理论，引导帮助学生经历实验过程、数据采集以及图像分析等过程．

3.2 教学目标

通过结合电容器充放电概念和假山喷泉生活经验，让学生明白电源电动势概念以及了解电动势的物理意义．经历自我探索和辨析过程，加深对抽象的电源电动势的理解．通过演示实验的数据分析，得出化学原电池内压和外压之间的定量关系，引导学生得出闭合电路欧姆定律的表达式，提高实验与理论分析相结合的能力．

3.3 教学策略分析

先结合DIS传感器与多媒体设备，通过课堂演示实验，引导学生直观地观察到实验现象，并结合DIS配套软件现场将所测实验数据进行处理和拟合，引导学生分析实验数据变化并结合拟合图像结果，得出实验规律．帮助学生完整地经历探究定量实验的过程，提高课堂效率，激发学习欲望，提高自主探究物理规律的能力．

3.4 片段教学过程

环节一：实验演示电路板通过闭合开关实现多个小灯泡与电源并联.

教师提问：通过闭合或断开多个开关从而实现小灯泡与电源并联的个数增加或减小的情况下，请学生们认真观察电源两端电压表的指针偏转情况并记录在表格当中，并引导学生发现并联小灯泡变多的情况下电源两端电压变小(“被谁偷走的电压”)问题.

学生猜想：可能被电源内部偷走．

教师介绍：测量化学原电池电学参量装置[4～6]，如图3和4所示.

图3 实验器材和化学原电池

图4 上课现场演示实验过程

(1)介绍化学原电池正负极板以及用于测量内部电压的探针片，提醒学生连接电压传感器时，测外部电压和内部电压顺序刚好相反，本实验装置需要两个电压传感器U1和U2分别用来测量原电池外电压和内电压，还需要一个电流传感器I3.

(2)连接好电路，通过试触法发现电压传感器数字变化明显，而电流传感器数字变化不明显，从而选择电流表外接法测量原电池端压．

(3)通过减小滑动变阻器的阻值，每变化一次测量一组数据，大概测量10组数据．

环节二：实验探究闭合电路欧姆定律以及电源外电压、输出功率、效率随外电阻变化规律.

教师演示：如图5所示，将实验测量数据进行处理，通过点击计算表格控制菜单栏中公式定义新变量外电阻R、电源电动势E、输出功率P、电源效率η．引导学生将实验测量的数据填入导学案中，让学生观察数据分组讨论并完成导学案中的问题．

图5 上课现场测量的数据图

问题1：原电池的内部电压和外部电压之间有什么关系？

学生分析：如图5所示，通过观察不难发现新定义的变量E的数值接近2.3 V，从而可以得到内压和外压相加的值满足E=U1+U2=C(定值).

教师演示：通过公式变化将U2=Ir代入可得到E=U1+Ir，为了验证所测量的实验数据是否满足公式，点计算表格控制中的绘图按钮，先将数据点离散化坐标纸中，其中横轴代表电流I3，纵轴代表外电压U1，再点击拟合按钮选择线性拟合选项就可得到如图6所示图像，从图中我们可以很清楚地看到一条倾斜的直线跟数据点拟合一致，引导学生总结归纳得出这条直线就是原电池的伏安特性曲线．

图6 原电池伏安特性曲线图

学生分析总结：通过拟合得到一次函数表达式，得到闭合电路欧姆定律，也可以通过表达式类比分析横轴、纵轴以及斜率分别表示电路的短路和开路状态以及原电池内阻．

问题2：原电池的外电压随外电阻的变化规律如何？

学生分析：如图5所示，通过观察数据表格发现外电压随外电阻增大而增大．

教师演示：为了验证所测量的实验数据是否与上述学生分析的结果一致，点计算表格控制中的绘图按钮，先将数据点离散化坐标纸中，其中横轴代表外电阻R，纵轴代表外电压U1，再点击拟合按钮选择3次拟合选项(三阶泰勒展开)就可得到如图7所示图像，从图中我们可以很清楚地看到一条曲线跟数据点拟合一致．

图7 原电池外电压随外电阻变化图

学生分析总结：原电池的外电压先随着外电阻增大而增大，后面增长趋势变缓慢最后趋于一个稳定值．

问题3：原电池的输出功率随外电阻的变化有怎样的规律？

学生分析：如图5所示，通过观察数据表格发现输出功率随外电阻增大先增大达到最大值后再减小．

教师演示：为了验证所测量的实验数据是否与上述学生分析的结果一致，点计算表格控制中的绘图按钮，先将数据点离散化坐标纸中，其中横轴代表外电阻R，纵轴代表输出功率P，再点击拟合按钮选择3次拟合选项(三阶泰勒展开)就可得到如图8所示图像，从图中我们可以很清楚地看到一条曲线跟数据点拟合一致．

图8 原电池输出功率随外电阻变化图

学生分析总结：当外电阻等于内电阻时，原电池输出功率达到最大值．

问题4：原电池输出效率随外电阻的变化有怎样的规律？

学生分析：如图5所示，通过观察数据表格发现原电池输出效率随外电阻增大而增大．

教师演示：为了验证所测量的实验数据是否与上述学生分析的结果一致，点计算表格控制中的绘图按钮，先将数据点离散化坐标纸中，其中横轴代表外电阻R，纵轴代表输出效率η，再点击拟合按钮选择3次拟合选项(三阶泰勒展开)就可得到如图9所示图像，从图中我们可以很清楚地看到一条曲线跟数据点拟合一致．

学生分析总结：原电池输出效率先随着外电阻增大而增大，后面增长趋势变缓慢最后趋于一个稳定值．

环节三：理论公式推导电源外电压、输出功率、效率随外电阻变化的函数关系式.

教师接着引导：在黑板上理论推导．

(1)原电池电压外U1与外电阻R的函数为

当R增大时，U1也增大；当R→∞，U1→E；与数值拟合结果几乎一致．

(2)原电池输出功率P与外电阻R的函数为

当0

(3)原电池输出效率η与外电阻R的函数为

当R增大时，η也增大；当R→∞，η→1；与数值拟合结果几乎一致．

4 评价

本教学案例借助DIS系统中的电学传感器直观地测量原电池的电学参量，特别是可以测量内部电压，实验装置简单易操作，充分体现了信息与教育的融合.通过课堂演示增强学生对自主探究实验的兴趣，有助于激发学生的学习兴趣，结合DIS配套软件将实验所测得数据进行实时拟合，生动形象地展现了物理过程的变化规律，极大地提高了学生对实验数据处理以及分析能力，充分展现物理情景，激发学习欲望，培养学生自主探究物理规律的核心素养．

5 总结

本文结合实际课堂教师演示实验，提出简单、易于操作的实验方案．借助DIS系统在高中物理实验教学中的实验数据测量应用进行了案例分析，希望能够激励更多的教师在课堂教学中使用DIS系统，充分体现信息化教育，大胆提出有创意、又简单、易于操作的实验方案，促进实验教学．充分发挥DIS系统优势与高中物理实验深度融合，提高教学效率．

6 展望与建议

高中物理实验教学有助于培养学生的观察分析能力和探究物理规律能力．结合DIS系统中传感器采集数据，充分体现课堂信息化元素，而实际课堂教学中演示实验的机会少之又少，因此教师应该重视物理实验教学的重要性，想方设法让学生体验真实物理情景，借助信息化工具与真实物理情景教学的深度融合激发学生探究规律的欲望．