数字化实验系统（DIS）在演示实验教学中的应用研究

数字化实验系统（DIS）在演示实验教学中的应用研究【内容摘要】：本文主要针对数字化实验系统（简称DIS）在高中物理演示教学中的应用展开研究。从DIS实验的课堂教学应用出发，本文阐述了演示实验教学的内涵，对DIS演示实验的概念进行了初步的界定，然后分别从灵活处理DIS与物理演示实验、学生、教师三者的关系；软件对口，连线正确；安全可靠，确保成功；简易方便，现象清晰；正确操作，注意规范五个方面阐述了DIS物理演示实验教学的基本要求。在如何应用环节，本文通过转换变化速度——记录稍纵即逝的物理现象、转变记录方式——再现物理变化的全过程、改进实验方法——提高实验的教学效果、突破思维定势——展现意料之外的精彩四个方面详尽地阐述了DIS的应用方法和应用优势。【关键词】：数字化实验系统（DIS）演示实验教学DIS物理演示实验（一）演示实验教学演示实验（教学）是在课堂上主要由老师操作，并通过教师启发引导，帮助学生对实验进行观察思考，以达到一定教学目的的实验教学方式。[[]陶洪．物理实验论[M][]陶洪．物理实验论[M]．广西教育出版社．1996年12月：134传统的演示实验定位于培养观察能力和思维能力

，一般采用教师做、学生看、教师讲、学生听的教学方式，体现了教师的主体性。在“学生主体、教师主导”“以学生发展为本”的现代教育理念下，演示实验教学更加关注学生的参与性与探究性，关注传统演示手段与现代信息技术的整合。国家教育部在课程标准中明确提出“鼓励将电子计算机等多媒体技术应用在物理实验中，同是提倡使用身边随手可得的普通物品做实验。[[][]中华人工和国教育部制定．普通高中物理课程标准（实验稿）[S]．人民教育出版社．2003年：52本文讨论的演示实验教学是利用现代信息技术支撑下的DIS传感器进行的实验教学，此类实验关注信息技术与传统物理实验的有效整合，同时也关注学生主体性和参与性，关注实验的开放性、探究性。（二）DIS演示实验含义根据实验的目的以及实验中对思维和技能要求的不同，可以将演示实验分为探索性演示实验、验证性演示实验和应用性演示实验。[[][]张冬梅．高中物理演示实验的设计方法研究与实践[D]．山东师范大学．2008年4月DIS演示实验是指应用DIS系统进行的物理演示实验，就是将传感器作为物理量的测量工具，利用计算机进行数据处理，利用多媒体展示实验过程和结论的演示实验。与传统实验相比，DIS演示实验有以下优势。首先，DIS演示实验在传统测量工具的基础上引入了传感测量技术，测量精度更高、更准确，并且实现了数据实时测量实时记录的功能。第二，DIS演示实验利用计算机记录并处理实验数据，处理速度快，准确性高，并且节省了课堂教学大量的数据记录和处理的时间，拓展了物理教学的时空。第三，DIS演示实验采用多媒体进行实验过程和结果的展示，实验的可视性、真实性更高。可见，DIS演示实验不是简单多媒体与传统演示实验拼凑，它是信息技术与物理实验的完美整合，这种整合包括了测量工具、数据采集、模数转化、计算机数据记录与处理、多媒体展示各个层面。尽管如此，DIS演示实验依然离不开传统的物理实验，它还是需要传统演示实验的实验原理、实验装置、实验方法。但是，由于新的测量工具与数据采集处理方式，推动了物理演示实验的创新，优秀的DIS演示实验层出不穷，物理演示实验迎来一次巨大的变革。下面就利用各类演示实验案例详细介绍DIS在验证物理规律和创设问题情境中的应用。（三）DIS物理演示实验教学的基本要求1、灵活处理DIS与物理演示实验、学生、教师三者的关系教师应该明确物理学是实验的科学，物理学的规律是借助实验得到的。没有演示实验就没有物理的教学，没有演示实验的物理教学更不可能是高质量的课堂教学。因此，物理演示实验是物理教学的必要内容。而DIS即数字化实验系统作为一种探索世界的新工具，其技术的作用是辅助物理课堂教学工具，是学生进行协作学习和会话交流的教学手段，是学生进行主动学习，协作式探索和意义建构的认知工具。在教学过程中，学生是教学的主体，教师在教学中起主导作用。因此，在教学过程中，教师应当从学生知识的意义建构、学生情感思维教育的角度出发，通过物理演示实验借助DIS实验技术展开物理教学。教师应当避免出现以DIS为中心，课堂上过度地展示DIS的技术，喧宾夺主的现象。2、软件对口，连线正确DIS实验系统组成较复杂，其中包括计算机、数据采集器、传感器。要进行DIS演示实验，教师要保证DIS实验系统本身能够正常的运行。首先，DIS实验系统要安装与系统相应的后台处理软件，保证在数据线连接的计算机和数据采集器间能正常通讯。其次，要用专用的数据线连接计算机、数据采集器、传感器。如果数据线出现问题应及时的更换或进行简单的修复处理。第三，在连接好DIS实验系统后，进行物理实验之前，教师应先对DIS实验系统进行测试。一旦DIS实验系统在进行实验出现问题，应进行以下几项常规的检查。首先，检查DIS实验系统的软件是否对口。由于DIS实验系统更新很快，很多学校出现了几代DIS实验系统并存的现象。由于各代DIS实验系统软件驱动程序并不兼容，所以DIS软件是保证DIS系统正常工作的前提。第二，检查各类数据线及其连接情况。DIS实验系统采用即插即用模式，一般计算机本身出现问题的情况很少，而用于连接各装置的数据线是关键。教师应检查各类数据线是否出现损坏，连接线线头是否出现生锈、弯折等现象，连接的插口是否出现类似现象等。第三，检查各类传感器的电源、工作模式是否出现故障。所有传感器在工作时都需要工作电源，由于电子技术的不断成熟，目前大部分的传感器都直接通过数据采集器供电，而数据采集器直接通过数据USB接口供电。但位移传感器的发射器是独立的，它的工作电源必须内置在其内部。由于电源使用有寿命，所以一旦出现无法工作时，教师应检查其电源。目前的位移传感器存在超声波、红外线两种工作模式，根据不同的实验要求，我们应该采用不同的工作模式。3、安全可靠，确保成功演示实验一般配合教学进行，安全可靠、确保成功是演示实验的基本要求之一。演示实验一般在课堂中进行，要确保无碍于学生的安全和身体健康。尤其是DIS演示实验，除了传统的实验仪器之外，DIS实验系统的连线众多，而且随时要用到220v的电源，确保学生安全是第一位的。在确保安全的情况下，成功完成教学任务是第一要务，所以教师要确保演示实验成功。应该说，DIS实验系统工作非常的稳定，系统也非常的可靠，DIS演示实验的成功率是非常高的。当然，也有许多的教师在应用DIS演示实验的课堂教学中出现实验失败的现象。演示实验失败的原因很多，要确保演示实验成功，教师课前必须充分准备并进行试做，充分考虑实际可能的教学效果，这也是最有效的方法。当然，除了提前准备试做之外，教师在课堂上怯场、紧张导致实验操作不规范或操作失误的情况也是大量存在的。4、简易方便，现象清晰演示实验要求简易方便，包括仪器结构简单、操作简单和由演示现象导出结论时解说或推理方便。[[][]许国梁.中学物理教学法[M].高等教育出版社.1993年5月：139演示实验的现象和过程要清晰，实验现象务必使全班学生看清楚。因此，在设计演示实验时，教师会想方设法考虑实验的效果，比如将实验仪器做的足够大，采用背景衬托和染色措施显现不太明显的实验现象，将演示实验仪器放到适当的高度，将静态的实验动态化等等。而随着现代多媒体技术的发展，幻灯机、实物投影仪极大地方便了教师展示和放大真实验的实验过程，有些无法演示实验还可以借助多媒体模拟，极大的提高了实验教学的效果。随着DIS传感技术的不断成熟，我们迎来了物理实验的真正的数字化时代。教师可以应用传感器将所有的物理量转化为电信号，通过计算机直接显示，在极大的方便了实验结果的数据处理和放大显示。学生可以通过投影屏幕实时的观测实验的过程，实验现象清晰可见，实验结论一目了然。5、正确操作，注意规范教师的演示实验对学生具有示范、引领作用，因此在教师进行实验演示时一定要严格遵守实验规范。这有助于培养学生良好的实验规范、实验基本技能、实验习惯。由于DIS演示实验的特点，学生更多时候关注点在于DIS神奇的数据采集和处理功能，而忽略了实验本身的魅力。因此，在进行DIS演示实验时，教师应更加强调实验的规范化，而DIS实验系统只是实验的工具。比如说，怎样正确选择和使用DIS传感器，包括DIS传感器的量程，使用时的注意点；如何将DIS接入实验装置，连接的注意事项；如何按一定的实验步骤操作；怎样正确进行读数和记录实验数据，数据处理采用怎样的方式，列表还是作图；如何分析实验现象、得出结论、进行实事求是的误差分析，等等。教师在进行演示实验时的规范性还应渗透科学探究基本思想。通过教师演示实验的言传身教，引导学生学习正确的科学探究的方法和规范，进而理解物理学的本质，形成科学态度、情感与价值观，培养创新意识和实践能力。因此教师在进行演示实验操作时必须考虑周密，一切都要符合科学实验的规范化要求，以发挥实验和科学探究的示范作用。（四）DIS物理演示实验教学的应用1、转换变化速度，记录稍纵即逝的物理现象中学物理演示实验教学主要是验证性实验教学。验证性实验要求学生检验物理规律和理论预言、期望的物理现象、特征及其变化是否确实存在，并对引起变化的原因进行分析，返回来再判断和证实物理规律、理论的正确性。而很多物理实验过程瞬间发生、稍纵即逝，学生对实验现象很难进行细致全面的观察。DIS实验技术能真实地记录物理量的变化过程，并可以进行实时的控制重现，实验过程清楚直观。案例1：DIS在验证做功可以改变物体内能的规律中的应用[[][]本案例2006年获嘉兴市第五届中小学实验教学优秀论文评选获二等奖图3图3-1做功改变物体装置在验证做功可以改变物体内能的教学中，DIS演示实验利用DIS实验系统的温度传感器完美的记录了活塞冲出过程中，容器内温度在这极短的时间内的变化过程，成功地验证了做功是改变物体内能的一种方法。用DIS温度传感器代替灵敏温度计，将温度传感器插入可乐瓶，对瓶内温度进行监测，并在瓶盖上加装了气门心，实验装置如图3-2甲。利用打气筒向可乐瓶内冲气，从开始充气一直到活塞冲出容器为止利用传感器记录数据，用图象法进行处理，就能得到如图3-2乙的变化规律。图3-2改装的实验装置和实验图象可见，压缩空气时瓶内气体温度逐渐升高，当活塞被气体冲出后，瓶内温度急剧减小，然后温度慢慢降低。因此，我们得出了对气体做功时，气体温度升高，内能增加；当气体膨胀对外做功时，气体温度降低，内能减小。利用DIS对微小物理量的感知，并利用计算机实时记录数据，学生体验到了物理过程的精密，从而提高了学生对问题的质疑能力，培养了学生分析问题的严谨精神，提高了学生的学习兴趣。案例2：应用DIS探究压力陶瓷片的力电转换原理图3-3压力陶瓷片应浙江五校联盟邀请，我有幸在杭州第二中学开了传感器及其工作原理的教学公开课。本节课的重点是了解传感器是能将非电学量转化为电学量的电学元件。为了使学生感受生活中存在大量将非电学量转化为电学量的元件，我在向同学介绍热敏电阻、光敏电阻、干簧管、霍耳元件、电容等传感器元件之前，先给同学们展示了音乐卡片中找来一个压敏陶瓷片（如图3-3所示），它能将力学信号转化为电信号。这个元件很普通，很多同学也玩过音乐卡片，但是大部分同学不知道这小小的元件，我也正是利用学生对该元件的好奇心创设了该情境，从而激起学生学习本节内容的热情。图3-3压力陶瓷片图3-4DIS得到的电流图线由于该压敏陶瓷片产生的电流很小，用灵敏电流计可以测定压敏电流的值。我采用的办法是将DIS微电流传感器接入图中压敏陶瓷片，然后画出电流随压力变化的时间关系。请一位同学轻轻地按压压敏陶瓷片，我们得到了电流随时间的变化关系（如图3-4所示）。当学生看到自己的按压压敏陶瓷片时能产生电流，学生感觉很神奇。在这个情境之后，我自然的引入了传感器的概念，即在现代技术中，将能够把力、温度、光、声、电等非电学量，按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或电路通断的元件。之后，我们就进入了本节其他元件的学习。图3-4DIS得到的电流图线该DIS演示实验成功地记录了压力陶瓷片在施加压力时，回路中产生了微小的电流。通过DIS实验系统实时记录微电流的变化过程，从而解开了压力陶瓷片之谜。2、转变记录方式，再现物理变化的全过程传统实验仪器数据记录方式采用人工读数并记录。在课堂教学中，由于实验时间有限，实验的有效数据有限，很多时候甚至会忽略重要的物理变化过程，从而导致演示实验留于表面，学生对于教师的演示实验听之任之。DIS实验系统采用实时记录数据的方式，而且根据需要数据记录频率可以从1Hz~1000Hz，显然这是人力所不能及的。而且DIS强大的数据实时处理功能更是可以随时反映物理量的变化过程，并用图象的方式记录留底。虽然实验结束了，但是实验的现象却被永远的记录了下来。这也是DIS实验最强大的功能。案例1：DIS在验证相互作用力规律中的应用图3-5弹簧间的相互作用力演示图10在牛顿第三定律的课堂教学中，为了验证相互作用力之间的关系，我们一般采用两个弹簧对拉的实验（如图3-5所示）验证相互作用力之间等大反向的关系。课堂演示时，由于弹簧秤较小，实验可视性差；借助投影仪之后，又由于影响实验因素众多，实验精度不高；再者，实验过程中读取的数据有限，实验信度不高。所以，利用该演示实验进行牛顿第三定律教学时，学生感觉实验简单趣味性差，实验不够精确时又成为学生笑柄。那么这样的演示实验如何改进呢？图3-5弹簧间的相互作用力演示图10如果用与DIS实验系统相连接的两个力传感器进行该实验（如图3-6甲），虽然两个力传感器类似于两个弹簧，但实验结果却出人意料。实验时，两手各持一只力传感器，向相反方向拉（或相互敲击）传感器，通过软件分别将两只传感器的“力－时间”图线定义为红色和蓝色。观察获得的图线（如图3-6乙），发现两条图线基本重合，表示两力的大小是相等的；将其中一个传感器的图线设为“镜像显示”后重复实验，可获得以时间轴为中心上下对称的两条图线（如图3-6丙）。相互作用力大小相同方向相反的规律得以清晰展现。图3-6DIS实验研究相互作用力例2：DIS在验证电动机欧姆定律不适用的规律中的应用图3-7电动机特点演示仪一线教师都知道，电动机的教学是高中教学中的一个难点，主要的难点在于电动机欧姆定律不适用。理论上我们可以从能量角度分析，电流通过电动机做功为转化为内阻上的焦耳热和对外输出的机械能。由能量转化和守恒定律可知或功率表达式。不难看出，即。因此，部分电路欧姆定律在类似于电动机的非纯电阻电路中不适用。这样的推理看似不难，但却成了学生解决含电动机电路问题的思维障碍。关键问题是解决电能绝大部分转化为机械能的问题。图3-7电动机特点演示仪为了解决这个难点，我利用传统的实验仪器搭起了如图3-7所示的电动机特点演示器，它可以帮助解决这一难题。电源、滑动变阻器、小灯泡和电键构成一个简单的回路。实验时，闭合电键，电动机带动扇页转动，但与之串联的小灯泡不亮；将电动机扇页按住，保证电机不转，小灯光亮起来了。显然在没有机械能输出的情况下，回路中的电流变大了，从中说明电动机将绝大部分电能转化为了机械能。该实验的不足有两点：第一，这个实验小灯泡有一定亮暗的变化，可是现象不太明显；第二，即使学生看清楚了小灯泡的亮暗变化，电流变化的程度学生仍然没有感性认识，认知冲突不能激起学生对新知识本质的理解。图3-8DIS验证电动机特点图象将此实验的小灯泡换成电流传感器，转化成DIS实验。利用DIS软件包画出电键闭合、按住扇页、放开扇页、断开电源的整个过程的回路中电流随时间的变化关系，实验结果如图3-8所示。这个DIS实验说明了电动机的几个特点：1、电动机在启动瞬间电流较大，该电动机启动电流为正常工作电流的2.2倍左右；2、电动机启动稳定转动后，电流逐渐稳定，当按住扇页时，电流急剧增大。按住扇页电机不转时，电流为正常工作电流的3.5-4倍左右。可见电动机正常工作时将大部分电能转化为了机械能。3、电动机启动电流一般比电机完全卡住的电流要小，这也是非常实际的问题。利用DIS与传统的演示实验装置结合，不仅解决了电动机的非纯电阻电路问题，而且完美地记录了电动机启动、按住扇页、放开扇页、断开电源全过程中流过电动机的电流的变化情况，使学生更加全面的了解真实的物理过程，理解电动机的工作原理。图3-8DIS验证电动机特点图象3、改进实验方法，提高实验的教学效果演示实验的效果，不仅决于实验是否能在学生大脑中建立起物理现象的鲜明表象，还取决于实验能否促进学生理解知识，提高学习物理的兴趣。要做到这一点，首先要保证实验操作成功，再者要使实验现象明显、富有感染力。因此，在实际课堂物理教学中，有些实验过于复杂，教师应该大胆的对实验方法进行改进和完善；有些实验结果与教师所期望的结论有很大差异，我们应该不拘泥于课本，大胆的尝试改革实验装置，引入新的实验手段，使它更好地适用于教学。案例1：DIS在验证机械能守恒定律中的应用图3-9验证机械能守恒实验装置传统物理实验一般采用自由落体验证机械能守恒定律。这个实验原理简单，操作方便，实验的精度很高。但是，任何实际实验都存在误差，纸带与打点器之间的摩擦导致实验存在系统误差，放手时手的抖动移位、数据处理时速度零点的确定、长度测量时个人读数习惯都会导致偶然误差。DIS在验证机械能守恒时方法很多，不管采用哪种方法，其使用的传感器一般为位移传感器、速度传感器、光电门。我在教学课堂过程中采用了DIS实验系统、光电门和单摆验证机械能守恒。图3-9验证机械能守恒实验装置图3-11验证机械能守恒的实验数据实验装置如图3-9所示，铁架台上固定一个带有标度的1/4底盘和一个带有标度的矩形底盘，保证刻度线水平。磁力夹及磁力夹卡位杆可绕悬点O转动，并且可以停在任意位置。单摆摆线未端固定在悬点O，摆线长度刚好使圆柱形摆球吸附在磁力夹上。只要按下磁力夹，摆球就可以从初始位置出发做单摆运动。光电门也通过金属杆固定在悬点O，同样可绕悬点O摆动并可停在任意位置，可记录摆球通过光电门的挡光时间，根据圆柱形摆球挡光片宽度为0.0075m，可以求出摆球通过光电门时的瞬时速度。如果用直尺测出光电门到摆球摆至图3-11验证机械能守恒的实验数据最低点时的高度，我们就可以利用该装置验证机械能守恒。图3-10验证机械能守恒专用软件界面利用DIS系统进行实验时，将DIS实验系统与光电门传感器连接。将磁力夹固定在如图所示位置A（离D点高度为0.150m处，分别将光电门至于最低点D处、离D点高度为0.050m的C处、离D点高度为0.100m的B处。利用DIS实验软件打开研究机械能守恒专用软件，设置好初始数值，摆球的质量为8g（如图3-10所示）。实验时，先光电门置于D处，松开磁力夹，测出小球过D处速度；同理测出过B、C处的速度。图3-10验证机械能守恒专用软件界面然后以最低点D处为重力势能零点，处理数据，如图3-11所示。我们可以得到，在误差允许范围内机械能守恒。一线老师都有经验，用自由落体验证机械能守恒的实验在一个课时的机械能守恒教学中一般很难完成同时进行理论和实验的教学。我在机械能守恒教学时，利用以上实验装置配以DIS实验系统，完成了理论推导之后，通过演示实验验证了机械能守恒定律。DIS实验强大的数据记录和快速的数据处理过程，极大的拓展了物理教学的时空。案例2：利用DIS探究电阻率随温度的变化关系图3-12实验电路图一般金属的电阻率随温度升高，电阻率逐渐小，电阻逐渐变小。在这一节内容教学中，我创设了一个金属随温度变化的问题情境。利用报废的日光灯灯丝（钨丝R）、小灯泡、电源和电键搭建如图3-12所示电路。电路中电动势保证电键闭合时，小灯泡微亮。实验时，先闭合电键，观察小灯泡的亮暗情况；再用酒精棉加热钨丝，观察到小灯泡变亮了；然后，停止加热，小灯泡又恢复原来的亮度。由于实验时小灯泡与钨丝的电阻很难达到实验完全匹配的要求，所以小灯泡的亮度变化不明显，可视性差。图3-12实验电路图将小灯泡用一电流传感器替代，如图3-13所示甲所示。用DIS软件系统画出电键闭合后、电路稳定时、加热电阻时、停止加热后、电键断开的整个过程回路电流随时间的变化关系，重新实验后得到如图3-13乙所示的图象。从图象中可以明显看出，电键闭合后，电流急剧增加，而由于电流对钨丝的加热作用，电阻率增加，电阻增大，电流减小。闭合稳定后，电流趋近于一个恒定的值，直到开始加热，电阻丝的温度继续上升，电阻率变大，电阻继续变大，电流慢慢减小。由于火焰的不稳定性，加热过程中电阻有小幅的波动，导致电流的小幅波动。但是一旦停止加热后，电阻率开始减小，电阻变小，电流慢慢增加。电键打开后电流变为零。图3-13改装好的电路和电流随时间变化关系该实验情境详细地记录了整个过程电流随时间的变化关系，给学生创设了生动的生动而全面的物理情境。4、突破思维定势，展现意料之外的精彩DIS演示实验不仅具有传统实验教学的严谨性、科学性，而且以信息技术为平台的DIS可以更加清晰地再现了物理现象、物理规律的科学研究过程。在物理教学中，教师与学生都容易出现思维定势，对物理现象后的本质没有研究的意识，或者说我们根本找不到好的方法去显露自己思维中的漏洞。DIS实验系统以一种数字化的测量工具亮相，为我们重新审