高中物理“力学”实验教学中DIS实验与传统实验的对比研究.doc
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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构成新型DIS实验系统，巧妙地做到了课程与信息技术的有效结合，具有强大的信息采集和信息处理能力，可以实时、高效地处理各种实验数据，可以实现联网互通，具有便捷的交互功能。
DIS因新课程改革而出现，新课程改革因DIS的出现而深入。
但是，并非所有的高中物理“力学”实验都适合用DIS来完成，这就需要深入了解传统物理实验与DIS实验各自的特点和优势，将两者有机的结合，以达到教学效果的优化处理。
DIS的出现使教学面临新的机遇和挑战。
如何通过观念的转变，进一步研究教学过程中的各个环节，使DIS的实验教学更具针对性和实效性，逐步加强对学生科学方法的训练和科学精神的培养，提高学生的科学探究能力。
这是作为一名一线教师不得不思考的问题。
本课题在文献研究和现状调查的基础上，通过教学实践与研究，总结出部分高中物理“力学”实验的DIS设计方案，并进行部分传统实验和DIS实验的结合与互补；研究出高中物理“力学”DIS实验教学的策略与方法，并对部分高中物理的“力学”实验书写出教学案例，同时对DIS实验室的建设、运作与管理方式进行一定探索和研究。
通过教学研究实践，优化教学设计，进一步转变教师教学方式，并拓展学生探索活动的范围，提高学生的探究能力。
同时，通过实验探索，为本学校其他教师的教学提供经验和范例，充分发挥教学资源共享的教学理念。
利用传感器技术对部分传统实验进行改进，使实验过程变得简单、清楚，使教学模式得以更新，以达到更好的教学效果。
本文通过对DIS实验系统在高中物理“力学”实验教学中的应用作一个充分的调查和研究，以了解学生在DIS实验运用方面的总体情况，比较DIS实验与传统实验各自的优势和教学弊端，研究如何应用好实验器材才使学生的动手能力、创造思维能力有更好的发展。
（五）研究内容
1DIS系列实验设计的开发研究
在新课程中，教学目标发生了的转变很大，由以往的教会学生某些知识，转变为培养学生掌握某些技能。
乌海市第一中学物理组本着运用DIS的优势，辅以传统实验，进行科学探究活动，包括问题的提出方案的制定，方法的运用，过程的展开，数据的采集，结果的分析……。
针对不同的学生，分层次进行实验教学。
2DIS实验和传统实验的整合研究
通过DIS实验与传统实验的整合，使学生在探究过程中培养自主学习的能力，逐步实现学习方式和学习方法的转变，培养学生掌握新课程下的学习方式，使学生能养成敢于质疑，善于交流，乐于合作，勇于实践的科学态度。
高中物理实验教学过程是让学生再发现、再创造的过程，让学生在教师引导下，自主地进行发展与创新，是DIS实验和传统实验整合教学的基本思路。
3DIS实验教学的策略与方法的研究
新教材中的高中物理教学以科学探究为主线，以物理现象、概念和规律为的掌握为主要教学目标，强调学生在实验活动中的参与和体验。
为了达到以上教学效果，在物理组内我们经常加强有关的理论学习，对有关教学内容进行重新梳理，深刻领会有关这一课题的理论在实际中的运用和操作方法，并且聘请有关的专家和学者从工作和理论上给予指导。
另外，在实验过程中，通过学生实验评价表、兴趣调查表、教师的观察等收集有关的资料和数据，进行总结和研究。
通过两个学年的行动研究，期中和期末、各学年实验班进行过程性评价和定性分析，总结出研究经验，以论文的形式形成研究成果，并把优秀的教学案例向本校教师进行推广。
（六）研究方法
在研究中，坚持科学性、系统性的原则，循序渐进地进行研究，通过集中培训、观摩公开课以及物理备课组讨论和个人自学相结合的方式，致力于新课程改革下高中物理“力”学实验教学模式的改革。
1案例研究法
在乌海市第一中学高一两个平行班（330班、334班）实验教学的基础上，选取10个教学个案进行深入研究。
通过对课题教学效果的反思及测试，对学科数据的分析，从中提炼出具有说服力的案例，以支撑课题研究的结论。
2文献调查法
借助学校订阅的教学报刊、杂志和各类教育网站搜集高中物理“力学”实验教学的策略和方法，去图书馆查找相关的文献资料，然后把资料分类整理，在相应的实验教学中加以应用和实践。
3比较研究法
在高中物理“力学”实验教学中，对同一个教学案例中的实验采用不用的实验系统进行实验教学，即用DIS实验进行教学和用传统实验进行教学，然后比较实验效果，并对实验过程进行系统的分析，通过问卷调查的方式反馈学生在实验过程中的情况，以得出在此实验中DIS实验的优势及弊端，传统实验的优势及弊端，最后将各自的优势加以整合，最终设计出一套较为适用的实验方案，在此方案中可能既有DIS实验，也穿插有传统的实验，目的就是为了通过研究，以达到实验教学的优化处理。
4行动研究法
本文在研究过程中，充分收集学校每位物理教师在教学过程中积累的经验，充分利用网络和数字化系统平台进行教学，加强自己与其他教师之间的合作与交流，在解决教学疑难问题的过程中多思考，多琢磨，以发现新的问题，最终将问题得以解决。
在研究过程中，自己要多去制作教学课件，多写教学反思，多问问题，争取让自己的研究课题有价值，有助于高中物理“力学”的实验教学，能帮助高中学生既学到知识，又掌握了相应的实验技能，最终培养他们的科学探究能力和创造力。
5调查研究法
在上面几种主要方法的支撑下，还要辅以调查研究法，研究学生运用现代教育技术与实验仪器进行实验学习时，对其学习的影响，掌握第一手材料，为课题研究提供充足的事实依据。
二、DIS实验与传统物理实验案例对比研究
（一）研究方案设计
1研究目标
在乌海地区，高中物理实施DIS的实验教学刚刚开始，高中物理实验哪些适合DIS实验系统，并为高中学生所接受，哪些实验不适合DIS实验系统进行实验，还需要深入研究、探索和实践。
由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件构成新型DIS实验系统，巧妙地做到了课程与信息技术的整合，具有强大的信息收集、处理能力，可以实时、高效处理各种数据，可以实现联网互通，具有便捷的交互功能。
将传感器应用于高中物理实验是高中新课程改革的一大亮点，新课程改革因DIS的诞生而深入。
DIS的出现使教学面临新的机遇和挑战。
如何通过观念的转变，进一步研究教学过程中的各个环节，使DIS的实验教学更具针对性和实效性，逐步加强对学生科学方法的训练和科学精神的培养，提高学生的科学探究能力。
这是作为一名一线教师不得不思考的问题。
2研究内容和研究对象
高中物理“力学”实验中，DIS实验与传统实验的对比研究。
通过对比，找出高中物理“力学”实验教学中，哪些实验适合使用DIS，哪些实验适合用传统教学方式，哪些实验适合将DIS与传统实验相结合。
并探索利用DIS实验改进实验的教学效果。
研究对象是乌海市第一中学高一334班（69人）和330班（68人），这两个班的学生入学时的成绩相当。
3研究步骤和研究方法
（1）研究步骤
①确定所要实验内容（主要以高中物理新教材必修1和必修2中的实验为主）。
②选择实验教学班乌海市第一中学334班和330班。
③用对比研究的方法，在一个班实施实施DIS实验，另一个班实施传统实验分别进行教学。
通过课堂提问、课后作业、问卷调查等形式发现问题，反思实施DIS实验和传统实验各自的利弊。
④做好平时实验记录。
利用各种研究方法、研究方式，让学生逐渐形成科学的思维习惯及能力，达到预期实验目标。
（2）研究方法
对比研究法、案例分析法、实践反思法等研究方法。
（二）加速度与力和质量的关系实验案例
1DIS实验设计
【设计探究方案】
1.猜想加速度a与力F、质量m之间存在怎样的关系？
如何研究加速度、力、质量的关系？
2.怎样用实验测定a、F、m这些物理量？
3.怎样设计数据采集器的表格及相关的图像坐标？
【实验目的】
1.研究小车在质量一定的条件下，加速度与作用力的关系。
2.研究小车在作用力一定的条件下，加速度与质量的关系。
3.练习使用DIS实验设备。
【实验器材】
位移传感器、数据采集器、计算机，带滑轮的轨道，小车，小桶，小车专用重片，天平，弹簧测力计等。
图2-1位移传感器图2-2数据采集器
图2-3实验装置图
1.用DIS研究加速度与力的关系（质量m保持不变）
【具体实验过程】
①用天平称装有位移传感器的小车的质量。
②用弹簧测力计测出小桶加里面放置砝码的重力，并以此作为小车收到的拉力。
③在轨道安装滑轮的一端，安装位移传感器的接收器，并与数据采集器连接。
将细绳连接小车，跨过滑轮系住2个钩码。
④开启电源（包括位移传感器发射器电源），运行DIS应用软件，点击“用DIS研究加速度与力的关系，加速度与质量的关系条目，释放小车测定加速度。
⑤保持小车质量不变，改变钩码数量重复实验。
⑥处理实验数据，归纳得出结论。
实验图像截图如下图所示：
图2-4v-t图像
2.用DIS研究加速度与质量的关系（保持作用力F不变）
①调节天平，测配重片的质量。
②将位移传感器的接收器固定在轨道没有滑轮的一端，并连接到数据采集器，用细线连接小车，跨过滑轮系住三个钩码。
释放小车，测定加速度。
将加速度的平均值记录在表格中。
③保持钩码数量不变（以保证小车收到的作用力不变），改变小车的质量（增加配重片数量），重复实验。
④处理数据归纳得出结论。
2传统实验设计
【实验目的】
1.研究小车在质量一定的条件下，加速度与作用力的关系。
2.研究小车在作用力一定的条件下，加速度与质量的关系。
3.练习使用打点计时器。
【实验器材】
电火花打点计时器、纸带、小车、天平、带滑轮的木板、小桶、小车专用重片、弹簧测力计。
【实验过程】
1.研究加速度与力的关系（保持小车质量不变）。
①调节天平，测小车的质量；用弹簧测力计测小桶加里面砝码的重力并以此作为小车的拉力。
②将木板放置在实验台上，调节木板，使小车放在木板上刚好处于静止状态。
③将小车末端与纸带相连，前端系细绳，绳子跨过定滑轮连接一个钩码；纸带穿过打点计时器。
④打开电源，释放小车，在小车带动下，打点计时器在纸带上留下一系列清晰的点。
⑤小桶中增加或换较大质量的砝码，再重复上述实验。
⑥利用纸带计算出相应的加速度，绘制a-F图像。
实验过程装置图如下：
图2-5实验装置图
记录加速度与外力关系的实验数据，填入表格中。
表格如下所示：
表2-1加速度与外力关系的实验数据表
研究加速度与外力的关系
m/g（砝码）
F/N
X/cm
a/m·s-2
1
14.10
1.38
14.82
0.64
17.40
2
24.10
2.36
20.60
1.05
24.80
3
34.10
3.34
30.20
1.44
35.94
根据上表中的数据，绘制a-F图像
图2-6a-F图像
根据图像得出结论：
在误差允许的范围内，当物体质量一定时，加速度与物体受到的外力成正比。
2.研究加速度与质量的关系（保持小车所受作用力不变）
①小桶中放置20g砝码，测量出第一次小车的质量为200.2g,进行第一次实验，取下纸带。
②安装新的纸带，并在小车中放入100g砝码，此时小车的总质量为300.2g，进行第二次实验，取下纸带。
③安装新的纸带，并在小车中再放入100g砝码，此时小车的总质量为400.2g，进行第二次实验，取下纸带。
④利用纸带，进行数据分析、研究。
记录加速度与质量关系的实验数据，填入表格中。
表格如下所示
表2-2加速度与质量关系的实验数据表
研究加速度与质量的关系
M/g（小车
升级会员 