利用DIS系统和数字传感器有效突破教学难点——以初中物理“牛顿第一定律”实验为例

■福建省福州延安中学 苏达青

初中阶段，物理是基础学科的重要组成部分。物理学科以实验为基础，很多物理规律及概念都是在大量实验中建立起来的。然而，受传统应试思维的桎梏，初中物理教学长期呈现出“重理论，轻实践”的问题，教师往往将实验结果和物理规律直接呈现给学生。初中生正处于物理学习的初级阶段，这也是培养学生物理思维的“黄金期”，然而传统的教学方法让学生“死记硬背”，导致学生“只知其然，却不知其所以然”，为学生未来的物理学习带来阻碍。随着时代的发展与信息技术的进步，新课程改革要求大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，DIS作为满足这一要求的教学实验系统，在教学实践中得到了广泛关注。

DIS实验是数字化信息系统实验的简称，DisLab系统是传感技术、计算机技术与真实实验的巧妙结合，以真实实验为基础，利用数字传感器代替传统的仪表，并实现了实验数据的采集，最终交给计算机进行处理。DIS 系统与数字传感器的应用能够大大提高实验效率与精准度，更可以让学生在完成实验后有更多时间去分析、思考与探究。因此，DIS 系统与数字传感器的应用是初中物理教学发展的一次有力“变革”。基于此，本文立足于新课标视域，以“利用DIS系统和数字传感器突破初中物理教学难点”为主题，详细论述了其具体的意义和实践路径，并以初中物理“牛顿第一定律”的教学为例探究实践案例，以期为广大一线教育教学者提供参考经验。

一、利用DIS 系统和数字传感器突破初中物理教学难点的意义

（一）有利于提高教学质量

在新课程改革的背景下，“以人为本”教育理念在实践中贯彻落实，作为教育教学者，深知增强学生课堂体验，实现“知行合一”的重要性。尤其是在物理学科的教学活动中，让学生体验完整的学习过程、感受知识生成过程，往往比照本宣科的“灌输式”教学更有效，不仅学生理解和记忆的程度更深，而且能够推动学生综合能力与实践能力双重提高。然而，在传统的教学活动中，尤其是在物理实验中，学生往往需要对各种物理量进行自行测量、读取、记录与计算，虽然给了学生很多实践机会，但是实验结果往往会因为各种误差而难以理想化。不仅如此，实验时间有限，很多教师会让学生在测量出具体的数据后在课下计算、分析与总结，导致学生没有太多时间对实验中存在的问题进行反思，数据分析脱离了教师的及时指导，阻碍了课堂教学效率的提高，而DIS系统则能够在很大程度上改变这一现状。

首先，DIS 系统以传感器作为主要载体，对各种物理量进行测量，具有速度快、准确度高、输出信号便于传输、转换、显示、处理等诸多优点。其次，DIS系统能够动态、实时地测量各种物理量，并快速转换成电信号输入数据采集器，这种操作成果完全是传统的弹簧测力计、温度计、电压表无法比拟的。再次，在数据分析环节，DIS 系统能够及时将记录的数据通过设置好的公式快速运算得到结果，并根据教学要求绘制出相应的图表，让学生更直观明了地感受到物理量之间的关系，加深对实验结果的理解与认识。最后，DIS系统还可以解决很多传统实验无法探究的问题。例如，在“探究二力平衡条件”的实验中，传统的实验器材无法保证物体处于匀速直线运动状态下，而DIS 系统则可以用输出功率稳定的电机提供恒力，让物体处于匀速直线运动状态，并借助力传感器获取大量的实时数据进行探究。可以说，DIS 系统的应用真正做到了“变不行为可行，变定性为定量”的重要突破。

（二）符合学生的认知

初中阶段的学生大多是从八年级开始学习物理的，根据皮亚杰的认知发生论，这一阶段的学生在思维发展上正由直观思维向逻辑思维转变，抽象逻辑思维向“理论型”转化，因此在这一阶段的学习活动中，教师要提供具体的事物与经验来支撑学生的思考。物理学科本身就存在较强的抽象性，因此很多学生会在学习活动中倍感艰难，而DIS 系统与传统教学的融合能够顺应学生的认知发展水平，让物理学习更简单、具体。

以“音调”这一教学内容为例，在教学活动中，教师就可以利用声传感器，让男生、女生面向传感器发声，而DIS 系统所反馈出来的波形图可以证明不同人的音调是不同的。同样，教师还可以让同一个学生对着声传感器分别进行声音大与声音小的两次发声，让学生通过对不同声波波形的观察深入理解“声音三要素”中音量大小相关知识。这类演示实验操作简单，形象直观地描述了物理现象，更容易被学生理解接纳、消化吸收。

二、利用DIS 系统突破物理教学难点的实践原则

（一）合适性原则

DIS系统所覆盖的实验范围较广，且在不同实验中的表现有所不同，需要教师从实验要求出发，结合实验的具体特点，对DIS系统的应用进行科学规划、设计与整合，以提高教学效率作为主要目标。然而，随着DIS 系统的推广，不少教师在教学中存在着“为了应用而应用”的情况，导致DIS系统的应用并未发挥突出的作用。如果传统实验已经能够直观具体地展示物理实验现象，数据收集、整理与分析的精确度较高，且传统实验本身就具有一定的巧妙性，所花时间与精力较少，那么再引入DIS系统就多此一举了。

以“串联电路中电压规律”的实验装置为例，有的教师会将实验中的电压表换成电压传感器，这样的实验设计意义就不是很大，而且增加了计算机、数据采集器等多个额外装置，将原本简单的读取数据环节转移到电脑屏幕上，反而让简单直观的实验复杂化了。不仅如此，学生学会如何使用电压表、如何对电压表进行读数也是必要的，DIS系统的引入反而弱化了这方面能力的训练。基于此，在实验设计与改良中，教师要始终遵守合适性原则，避免为了应用DIS系统而应用，要让DIS系统的应用真正解决教学难点，实现教学效率与成果的双重提高。

（二）趣味性原则

兴趣是最好的老师，也是学生开展学习活动的内在驱动力。物理实验过程有趣，学生参与度高，备受学生喜爱。因此，在DIS系统的应用过程中，教师要遵循趣味性原则，避免让实验过程出现程式化的现象，以及“重结果、轻过程”的倾向。首先，趣味性原则要求教师深入挖掘物理教学内容的趣味性，让学生感受到实验本身的吸引力，从而点燃参与热情。以“阿基米德原理的演示实验”为例，教师可以先引导学生猜测两千年前国王如何确定自己纯金王冠的体积，并将实验过程中的排水物替换成小型王冠。这样的教学设计不仅激发了学生的好奇心，还能够重现阿基米德鉴定纯金王冠的故事，让学生对物理发展史有所了解。其次，趣味性原则要求教师在实验设计中为学生留出探究的空间，这就需要教师在教学实践中发挥DIS 系统的拓展性作用，让学生的实验设计拥有自由宽广的设计空间。同时，在实验设计中，教师要注重“留白”，让学生在实验过程中多一些自主性，探索教材之外物理知识应用的更多可能性。

三、基于DIS 系统和数字传感器突破伽利略理想实验教学难点的实践路径

（一）提出问题

在沪教版初中物理教材八年级《力与运动》教学中，学生学到了“牛顿第一定律”的具体内容，其中通过“伽利略理想实验”，学生知道了当水平面绝对光滑时，小车将进行匀速直线运动，对“牛顿第一定律”有了更深入的认识。但是，在传统的实验设计中，由于无法展示出水平面绝对光滑时小车的运动状态，因此，这一结论是通过极限思想推论而出的，并没有数据化的形象呈现。不仅如此，在实验过程中，小车在水平面运动的距离、小车进入水平面的初速度、小车经过固定点的速度以及小车经过两点间的速度变化等多种数据都要依靠人为记录与测算，难免会存在误差，而这些问题又容易干扰学生对实验结果的理解，造成课堂教学效率低下。那么，作为教育教学者，该如何解决这一问题，提高教学质量与成果呢？笔者便巧妙地引入了DIS 系统与传感器，对教材上的实验进行了一定程度上的优化，让数据记录更准确、数据计算更迅速，也让学生的实验观察更直观，巧妙地规避了实验方案中的不足之处。

（二）实验目的

1.知识与技能：知道物体的运动不需要力来维持，理解力和运动的关系；知道牛顿第一定律是逻辑的推理结果，不受力的物体是不存在的，理解牛顿第一定律；通过实验培养学生分析问题的能力，要能透过现象了解事物的本质，不能不加研究而只凭经验，对物理问题不能主观臆断；正确认识力和运动的关系。

2.过程与方法：通过实验引导学生自主发现问题、设置问题、探究问题。

3.情感态度价值观：在探究过程中，学生可以体会到推理、总结、归纳思想的具体应用，形成善于思考、敢于动手、勤于探究的习惯。

（三）实验器材

DIS 系统、位移传感器、计算机、斜面、毛巾、棉布、木板、小车等。

（四）实验步骤

1.在小车上安装位移发射器，在水平面远端安装位移接收器，并将位移收集器通过数据线连接到采集器上，让采集器与计算机相连。

2.将毛巾铺在水平面上，将小车放在斜面上的某一位置。

3.小车由静止开始释放，位移传感器记录小车在水平面运动的距离s，通过位移采集器记录小车在水平面上运动的信息，观察计算机自动生成的v-t图，并直接得出小车进入水平面的初速度v1和经过另一固定点的速度v2，由计算机测算出小车经过两点的速度Δv。

4.将毛巾更换为棉布，将同一辆小车放置在斜面的同一位置，重复上述步骤，通过DIS系统采集上述数据。

5.将棉布更换为木板，将同一辆小车放置在斜面的同一位置，重复上述步骤，通过DIS系统采集上述数据。

6.计算机将记录数据导入Excel 表格，如表1所示。

表1

（五）实验结论

在其他条件相同时，平面越光滑，小车受到的摩擦力越小，速度变化越小，小车前进的距离就越远。

（六）设计意图

利用DIS 系统及传感器将小车达到水平面以及固定点的速度准确地测量出来，将小车速度可视化，可以直观观察到小车经过这两点的速度变化，帮助学生更好地理解速度的变化。在实验中，“将同一高度同一小车静止滑下，能使小车到达水平面的速度相同”这一点通过观察速度的数值直观体现，加深学生对实验操作的理解。

（七）实验的不足与思考

1.实验中使用了不同的水平接触面，因此为了尽可能减小误差，教师要保证斜面与水平面尽可能相契合。

2.在实验操作中，条件与时间依然受到一定程度的限制，在本次实验操作中，仅利用毛巾、棉布与木板作为接触面，但是为了提高实验的科学性与严谨性，应该选择至少5种不同粗糙程度的接触面，如大理石、磨砂玻璃等，以提高实验的完善程度。

四、结语

综上所述，随着信息技术的不断发展与新课程改革的持续推进，将DIS 系统与初中物理教学相融合已然成为教育教学发展的必然趋势。DIS 系统巧妙地解决了当前物理教学中的诸多问题，很大程度上提高了教学质量，顺应初中阶段学生的认知发展水平，极大降低了物理学习难度，为学生未来的物理学习奠定了坚实的基础。在DIS 系统融入物理教学的过程中，首先，教师要遵循合适性原则，避免DIS系统滥用、误用，将提高教学效率作为教学设计的基本目标。其次，教师要遵循趣味性原则，让学生感受到物理学习的乐趣所在，并且为学生的学习活动留下广阔的自主探索空间。本文以沪教版八年级物理“牛顿第一定律”中“伽利略理想实验”的教学活动为例，运用DIS 系统与传感器解决了传统教学中存在的主要问题，引发学生对这一实验更深入的思考，为后续对“牛顿第一定律”的深入探究打下了良好的基础。