高中物理力学实验教学中DIS实验与传统实验.docx

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高中物理力学实验教学中DIS实验与传统实验

高中物理“力学”实验教学中DIS实验与传统实验的对比研究

摘要：

DIS实验是随高中物理新课程改革而引入高中物理实验教学过程中的，是一种与现代科学密切相关的实验方式，具有便捷、直观、实时、准确等特点。

在高中物理实验教学中采用DIS来设计，不仅使某些用传统实验方式无法实现的实验得以顺利完成，而且能促使学生了解先进的科学技术，获得科学的学习方法，形成正确的学习态度。

但是，在高中物理“力学”实验教学过程中，并不是所有实验都适合用DIS来完成。

本文结合DIS实验和传统实验各自的特点，分析了他们各自的优势和弊端，并进行了实验对比，最后通过研究和比对，对高中物理“力学”中涉及到的绝大部分实验进行了分析和研究，对个别课本上已有的DIS实验设计方案提出了改进意见，目的是为了使实验过程中的变化更为明确、现象更为清楚，而且改进后的设计方案能从定量的角度反映实验过程中的变化，改变传统的实验教学方式，使实验教学更加有效。

关键字：

DIS,高中物理,数字,实验教学,传统实验

一、选题的背景及意义

（一）传感器及DIS实验的概念区分

高中物理中使用的传感器是以某些特定的标准和规则把被测量的物理量转换为与之对应的电信号的一类测量装置。

国际电工委员会的定义为：

“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

它的功能首先在于“感”，即可将距离、速度、力、热、声、光、电、磁乃至酸碱度、导电率、气体含量等多种变量转换成电信号，以电信号的不同变化体现对外界变量的感知；其次在于“传”，电信号可被放大、转换、传输、编码、读取，可以通过数码管显示，也可以被计算机加以处理。

DIS是英文DigitalInformationSystem三个词的缩写，也是“数字化信息系统”的简称，DIS的核心组成部分为传感器和数据采集器，因此，“数字化信息系统”是一套基于传感器技术的信息系统。

DIS实验是指运用数字化信息技术手段的实验。

实验系统是由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件构成。

由于传感器应用于高中物理实验是物理第二期课程改革中的一大亮点，它给高中物理实验教学带来了技术、方法的革新，体现了创新精神，改变了实验设计思想和手段，同时也更新了教育理念，甚至可以改变传统的课堂实验教学模式，以达到高中物理实验探究的教学目的。

在新教材中，很多高中物理实验都可以采用这样的设计模式：

用一系列高中物理专用的教学传感器并辅以专用的教学软件及配套的教学仪器，快速、高精度地实时采集力、位移、速度、电流、磁感强度等多种物理量的数据，数据通过并将数据采集器处理后上传到计算机，由教学软件进行处理和分析，然后得出相应的分析结果和图像，最后得出结论。

期中传感器是用来快速、高精度地实时采集实验数据，并将其转变为相应的电信号输送给数据采集器；数据采集器是连接传感器和计算机的纽带，对传感器输送过来的电信号进行转换和分析分析，然后将结果传输给计算机，最后利用计算机进行显示和处理，得出结果。

（二）问题的提出

在信息技术高速发展的今天，数字信息化深刻的影响着人们现阶段的生活，它使人们的生活方式、思维方式、交流方式都发生了质的变化。

借助先进的信息化技术，人们可以多而快的获取信息，分析和处理信息。

中国教育当然也收到了信息化技术的影响，极具潜力的DIS实验技术随之在全国主要大中城市的中学教育中逐渐推广和使用了。

为加强高中物理实验教学，《普通高中物理课程标准（实验稿）》中明确指出：

“物理实验是高中物理教学中的重要内容”。

“教师应该积极开发适合自己教学的实验项目，并尽可能利用各种实验资源，使用各种不同型号、规格的仪器做实验。

鼓励将电子计算机等现代多媒体技术应用在物理实验中”。

“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等”。

[1]

新课程教学中倡导“探究式教学”，强调学生独立思考的能力、合作学习的能力以及创新精神的培养，计算机和物理实验课程的有机结合，以人与计算机配合的方式实现实验过程，并借助计算机处理实验数据，极大地方便了学生进行探究实验。

利用计算机和数据采集系统进行高中物理实验，形式新颖、内容丰富、操作简单、数据处理方便，从而给高中物理实验教学注入了新的活力。

在高中物理“力学”实验教学中，DIS实验和传统实验相比究竟有什么优势？

使用DIS实验，传统实验是否可以完全退出“历史舞台”？

两者应如何取长补短使高中物理实验教学得到优化？

本课题将通过一些具体实例，通过选择不同对象、不同内容，并确定相应的实验手段，来探讨如何使高中物理实验教学效果更有效，并能在实验过程中培养学生的探究能力，以达到新课标对学生的实验水平的要求。

（三）选题的意义

1现代教育理念赋予基础教育新的内涵

传统的教学模式是教师的“教”与学生的“学”相结合的模式，“教”与“学”在实际教学中是分开的，教师只管教，至于学生是否能学会、学懂并不是教师教学过程中所关心的主要问题。

[2]现代教学观认为教学从本质上是一种“沟通”与“合作”的交往活动，交往包括对话、参与、相互建构，其中“对话”是教学活动的重要特点。

在信息交流中可以很容易实现师生互动、相互沟通、相互影响、相互补充，从而达到共识、共享、共进的教学目的。

传统的教学过程观中有以“教”为中心的教学过程观和以“学”为中心的教学过程观，后来发展为“以教师为主导，以学生为主体”的双主教学过程观。

华东师范大学的叶澜教授认为“教”与“学”在教学过程中是不可分离的，是相互依存的整体。

课堂教学的基本单位不是“教”，也不是“学”，而是“教学”如何“互动生成”。

教学中的“生成”包括两种，一是因开放性的互动产生了新的教学资源，称为“资源生成”，二是对新生成的教学资源及时的重新整理、重组，形成不同于教学设计内容和程序的新的东西。

[3]因此，教学不是一个静态的过程，而是一个充满活力的动态过程，教师和学生的角色不再是固定的教师为主导、学生为主体，而是交互主体。

在我国把学生的全面发展作为学校的教育目的，这就决定了学校教育要完成德、智、体、美、劳五个方面的教育任务。

但是，一旦到了教学中便习惯上人为的将之分开，把德育交给政治学科，智育交给数理化学科，体育交给体育学科，美育交给美术学科，劳动技术教育交给劳动学科，再加上高考指挥棒的作用，这就造成了教师讲，学生记，再加之反复练习的应试教学模式，好多地方学校的实验课都流于形式，设而不上，怕占用学生做题的时间，这样在很大程度上抑制了学生智力的发展，掩盖了学生的个性，使我们的学生严重缺乏创造性。

基于这些方面的不足，在高中物理新课程的实施过程中，侧重了学生创造力的培养和个性的发展，因此，高中物理的实验探究自然而然成为培养学生创造力和个性的重要手段，也成为转变学生学习方式的重要过程。

新的实验器材传感器、数据采集器在新课程的实验教学中也随之出现，各个学校的数字化实验室也相继建立，物理实验的地位达到了相应的高度。

在《高中物理课程标准（实验稿）》中提出：

“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。

”[4]

高中物理新课程具体目标强调知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维目标的统一。

情感不仅指学习兴趣、学习热情、学习动机，更指内心体验和心灵世界的充实。

态度，不仅指学习态度，更是指乐观的生活态度，求实的科学态度，宽容的人生态度。

价值观，不仅指个人的价值，更强调个人价值与社会价值的统一，从而使学生从内心确立真、善、美的价值追求以及人与自然和谐可持续发展的理念。

[5]当然，每节课都要完成这些目标是不切实际的，但是我们每节课都应该向这些目标去努力。

为了配合新课程的实施，学生的学习方式也要进行转变。

学习方式不是指具体的学习策略和方法，而是学生在自主性、探究性和合作性方面的基本特征。

转变学生的学习方式就是转变学生单一的被动的学习方式，提倡和发展多样化的学习方式，特别提倡自主、探究、合作的学习方式，是学生的创造性、能动性不断地得到发展，让学生的创新意识、实践能力不断得到增强。

当然，从旧的学习方式转变到适应新课程理念的新的学习方式不是那么容易的，这其中需要教师的帮助和学生自身的努力，教师要把课堂交给学生，把提问的权利、质疑的权利、发表意见的权利、评价的权利还给学生。

从以上的论述容易看出，时代的发展、社会的需要，要求基础教育要培养出具有创造能力和自主学习能力的适应现阶段发展需要的开拓性人才。

而自主性学习、合作性学习、探究性学习必将成为学生学习的主要方式。

2现代教育理念下的高中物理“力学”实验教学需要DISLab

DISLab是英文DigitalInformationSystemLaboratoryd的缩写，意为“数字化信息系统实验室”。

DISLab是传统实验室与现代化计算机技术，通讯技术，电子技术，多媒体技术等相关信息加工处理技术的有机结合。

其特点为：

（1）基于Windows系统的显示，例如曲线图，数据表，测量等；

（2）广泛的分析工具，包括积分，统计，曲线拟合，计算数列，检查和修改等；

（3）多通道的数据运行；

（4）在保存实验文件前，方便的传感器设置和实验设置；

（5）在文本窗口中注释图表和记录。

其教学功能有：

（1）“科学的分配了教学时空”[6]

由于数字化实验室采用了传感器+数据采集器+计算机的体系结构，使得其具备了“实时实验”的功能，即可以对实验的过程进行实时的跟踪与数据的采集，同时还完成了数据处理。

这就将教师与学生从以前那种数据读取、记录、运算以及图线描绘等繁琐的劳动中解放出来，为学生的自主探究、小组协作与充分的体验提供了足够的时间和空间。

（2）利用新技术填补了测量的空白

数字化实验室凭借传感器技术弥补了传统实验中的多个空白，解决了物理实验中精确采集数据的难题，同时系统辅以相对完善的软件系统，可以进行很多利用传统实验装置想做而又做不到的实验。

（3）实现了跨学科融合教学

在传统实验中，物理、化学、生物实验室相互独立，实验室的功能单一。

在新课标中提倡跨学科的探究实验，而这种实验在传统条件下即费时又费力，而且实验效果并不理想。

数字化实验室依托软件平台，能较好的解决上述问题。

学生可以同时、同地的测量同一实验的理、化、生的不同量，在真正意义上实现了跨学科的实验教学。

（4）实验过程与结果的可视化

在有些物理实验中，实验现象并不明显，或是实验过程十分短暂。

例如高中物理中“研究弹性形变中的微小形变”实验，教师与学生在观察此类实验时难度较大，实验数据的测量也很困难。

数字化实验室由于装备了高灵敏的传感器探头、摄像装置，可以将实验过程以视频方式储存并重放，实现了实验的可视化，同时可以根据要求放慢或加快播放速度，而且摄像头的变焦功能可以对实验的某个细节进行放大，便于观察。

在传统实验中，实验者在实验后为了直观的理解测量值之间的关系，通常要手工绘制函数图像。

在数字化实验室的软件系统中提供了曲线拟合功能。

计算机在采集、计算、分析实验数据后会按照实验者要求自动绘制函数图像，使得实验结果以图像方式直观的呈现出来。

（5）将“黑箱”变为透明，可激发学生学习的兴趣

传统实验装置自身的内部结构对于外界来说是不可见的“黑箱”，很少有学生去探究实验器件本身的原理。

而在数字化实验室中，大多数的仪器外壳是透明的材质。

学生可以很清晰的看清楚各种仪器的内部构造，有利于激发学生探究未知世界的兴趣。

总之，DISLab提供了许多传统实验室无法达到的教学功能，符合新课程的教学理念，能激发学生的探究热情，能培养学生的创造力。

（四）研究目标

在乌海市第一中学，DIS实验用于高中物理实验教学刚刚起步，数字化实验室正在筹建中，很多有关高中物理DIS实验方面的问题还在探讨。

例如：

如何将DIS合理地运用于教学，高中物理哪些实验适合使用DIS来完成，哪些实验不适合使用……

由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件