数字化实验系统DISLab与传统演示实验对比研究

数字化实验系统DISLab与传统演示实验对比研究

对于中学物理而言，实验是课堂教学的重要组成部分。常见的有演示实验、学生分组实验、课内小实验等，其中演示实验是指为配合教学内容主要由教师操作表演的示范性实验，把要研究的物理现象展示在学生的面前，引导学生观察思考，穿插讲解或配合学生讨论等方式使学生认识物理概念和规律，达到“事半功倍”的效果；或者通过演示实验的引导和示范作用[1，2]，为培养学生的实验操作能力创造条件。它可以在引入课题、获取新知识、巩固知识、应用知识等各个教学环节中使用，是中学物理实验教学的重要组成部分。目前中学物理课本中所涉及的大多数实验仪器精度普遍偏低，系统误差较大，而且实验过程中数据的采集一般都是由实验者通过测量仪器的示数来读取，数据规律的拟合结果往往通过手工描点作图法来获得，致使主观因素所导致的偶然误差增大。且演示实验在45分钟课堂上所占用的时间不能过多，在短短的时间内要完成仪器介绍、操作，数据读取、数据处理，得出结论等一系列工作显然有很高的挑战性，不少教师因此变做实验为讲实验。传统物理实验中，由于人眼观察与手工记录的断续性，对于空间尺度上人眼难以观察的细微过程，往往借助于显微镜才能实现细致的观察，很难在演示实验环节中操作；对于时间尺度上细微过程就更加难以捕捉，难以记录，这是长期以来物理实验的一个难点，瞬间变化的可视化更是难点中的难点。数字化实验系统的引进，改变了传统实验只能定性讲述的局面。一、引入数字化实验系统根据现代教育理论，在教学活动这一认知领域内，“外部刺激”这一因素的强弱影响着学生的学习积极性、主动性的发挥。“外部刺激”与作为认识主体的学生内部心理过程之间的良好相互作用，可以最大限度地激发学生内在的学习心理要求。以往的“教师做、学生看”的演示实验模式所造成的外部刺激往往达不到认识主体——学生的学习心理要求，将现代化的信息技术引入演示实验可以极大地提高教学效果，激发学生的求知欲。新的课程标准中也提出要将现代化信息技术与中学物理教学全面整合的要求，应运而生的数字化实验系统就很好地实现了这一目标。数字化实验系统不仅是技术层面的提高[3]，更是教育思想观念的进步。传感器、计算机等信息技术设备都是科学技术发展和进步的成果，把它应用到中学物理实验教学中，不仅可以开阔学生的视野，也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供了鲜活的素材。教学中采用的是山东省远大网络多媒体有限责任公司生产的朗威数字化信息系统（DISLab），由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用软件）+计算机”构成。数字化实验系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合[4，5]。首先，它实现了实验手段的数字化，9个不同的传感器配合数据采集器将压强、温度、力等各种物理量转化为电信号，选择数字显示可使数据更准确、更精密，显示更直观；其次，实现了由传统的实验数据“点采集”转向到“线采集”，以极短的时间记录大量的实验数据，可以有效地解决暂态现象难测量等传统实验无法解决的问题，如声波的测量、超重失重现象的测量等；最后，还实现了实验数据“测量——记录——呈现”的一体化，有效地克服了传统实验中演示实验操作繁琐、耗时长，效果不理想的弊端。二、超重与失重现象的研究（1）将数据采集器与计算机连接好，打开计算机和数据采集器，将一只力传感器接入数据采集器。（2）点击教材专用软件主界面上的实验条目“超重失重”，打开该软件。（3）点击“开始记录”，在力传感器测钩上挂上重为3～8N之间的砝码，然后让传感器沿竖直方向加速上升和下降，得到实验结果（见下页图1）。（4）观察图1的实验结果图线，研究其中的不同段落对应的运动过程，得出：A→B→C，F=mg-ma＞G，物体处于超重状态；C→D→E→F，F=mg+ma＜G，物体处于失重状态。以往，用测力计来做超重失重实验，实验过程短暂，稍纵即逝，不易观察。用数字化实验系统可以将实验过程定格，记录下来便于教师与学生分析、理解。三、验证机械能守恒定律传统实验模式下，验证机械能守恒定律，往往用打点计时器打出纸带，再分析处理数据，最后得出机械能守恒的结论，基本上要花上15～20分钟，耗时长，而且实验误差大，勉强得出结论，学生不信服。现在可以结合数字化实验系统，利用摆球法或斜轨法来验证机械能守恒定律。以摆球法为例，进行分析。（1）将DISLab机械能守恒实验器按装配图（见图2）安装好，把光电门传感器固定在实验器的A点，并接入数据采集器的第一通道；（2）将小摆球用磁铁夹吸住，固定在A点上方5～10cm处；（3）移动光电门传感器固定臂，使用测平器观察并调整光电门的透光孔正好在A点；（4）打开通用软件中的“计算表格”，点击“自动记录”中的“开始”，释放摆球，当摆球通过光电门传感器后，阻止摆球回摆；（5）移动光电门传感器固定臂，使用测平器观察并调整光电门的透光孔分别位于B、C、D点，重复步骤4，获得4次实验数据；（6）点击“变量”分别定义h、m表示光电门距零势点的高度和摆球的质量，并输入相应的数据；（7）点击“公式”，输入计算摆球速度和摆球在各点的机械能公式，得到实验结果（见表1）。由结果可见，摆球在4个点的机械能变化范围小于3％，在误差范围内。可得出结论，在只有重力做功的情况下，机械能守恒。从而验证了机械能守恒定律。这个实验一般在3～4分钟就可以完成，耗时短，节省