數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究【內(nèi)容摘要】：本文主要針對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DIS）在高中物理演示教學(xué)中的應(yīng)用展開(kāi)研究。從DIS實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)應(yīng)用出發(fā)，本文闡述了演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，對(duì)DIS演示實(shí)驗(yàn)的概念進(jìn)行了初步的界定，然后分別從靈活處理DIS與物理演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生、教師三者的關(guān)系；軟件對(duì)口，連線正確；安全可靠，確保成功；簡(jiǎn)易方便，現(xiàn)象清晰；正確操作，注意規(guī)范五個(gè)方面闡述了DIS物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求。在如何應(yīng)用環(huán)節(jié)，本文通過(guò)轉(zhuǎn)換變化速度——記錄稍縱即逝的物理現(xiàn)象、轉(zhuǎn)變記錄方式——再現(xiàn)物理變化的全過(guò)程、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法——提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果、突破思維定勢(shì)——展現(xiàn)意料之外的精彩四個(gè)方面詳盡地闡述了DIS的應(yīng)用方法和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)DIS物理演示實(shí)驗(yàn)（一）演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)（教學(xué)）是在課堂上主要由老師操作，并通過(guò)教師啟發(fā)引導(dǎo)，幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察思考，以達(dá)到一定教學(xué)目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。[[]陶洪．物理實(shí)驗(yàn)論[M][]陶洪．物理實(shí)驗(yàn)論[M]．廣西教育出版社．1996年12月：134傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)定位于培養(yǎng)觀察能力和思維能力

，一般采用教師做、學(xué)生看、教師講、學(xué)生聽(tīng)的教學(xué)方式，體現(xiàn)了教師的主體性。在“學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”“以學(xué)生發(fā)展為本”的現(xiàn)代教育理念下，演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加關(guān)注學(xué)生的參與性與探究性，關(guān)注傳統(tǒng)演示手段與現(xiàn)代信息技術(shù)的整合。國(guó)家教育部在課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出“鼓勵(lì)將電子計(jì)算機(jī)等多媒體技術(shù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中，同是提倡使用身邊隨手可得的普通物品做實(shí)驗(yàn)。[[][]中華人工和國(guó)教育部制定．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）[S]．人民教育出版社．2003年：52本文討論的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用現(xiàn)代信息技術(shù)支撐下的DIS傳感器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)關(guān)注信息技術(shù)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的有效整合，同時(shí)也關(guān)注學(xué)生主體性和參與性，關(guān)注實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性、探究性。（二）DIS演示實(shí)驗(yàn)含義根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的以及實(shí)驗(yàn)中對(duì)思維和技能要求的不同，可以將演示實(shí)驗(yàn)分為探索性演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性演示實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用性演示實(shí)驗(yàn)。[[][]張冬梅．高中物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)踐[D]．山東師范大學(xué)．2008年4月DIS演示實(shí)驗(yàn)是指應(yīng)用DIS系統(tǒng)進(jìn)行的物理演示實(shí)驗(yàn)，就是將傳感器作為物理量的測(cè)量工具，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用多媒體展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論的演示實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，DIS演示實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)勢(shì)。首先，DIS演示實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)測(cè)量工具的基礎(chǔ)上引入了傳感測(cè)量技術(shù)，測(cè)量精度更高、更準(zhǔn)確，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)時(shí)記錄的功能。第二，DIS演示實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理速度快，準(zhǔn)確性高，并且節(jié)省了課堂教學(xué)大量的數(shù)據(jù)記錄和處理的時(shí)間，拓展了物理教學(xué)的時(shí)空。第三，DIS演示實(shí)驗(yàn)采用多媒體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的展示，實(shí)驗(yàn)的可視性、真實(shí)性更高?？梢?jiàn)，DIS演示實(shí)驗(yàn)不是簡(jiǎn)單多媒體與傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)拼湊，它是信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的完美整合，這種整合包括了測(cè)量工具、數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)化、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄與處理、多媒體展示各個(gè)層面。盡管如此，DIS演示實(shí)驗(yàn)依然離不開(kāi)傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)，它還是需要傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法。但是，由于新的測(cè)量工具與數(shù)據(jù)采集處理方式，推動(dòng)了物理演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，優(yōu)秀的DIS演示實(shí)驗(yàn)層出不窮，物理演示實(shí)驗(yàn)迎來(lái)一次巨大的變革。下面就利用各類(lèi)演示實(shí)驗(yàn)案例詳細(xì)介紹DIS在驗(yàn)證物理規(guī)律和創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境中的應(yīng)用。（三）DIS物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求1、靈活處理DIS與物理演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生、教師三者的關(guān)系教師應(yīng)該明確物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，物理學(xué)的規(guī)律是借助實(shí)驗(yàn)得到的。沒(méi)有演示實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有物理的教學(xué)，沒(méi)有演示實(shí)驗(yàn)的物理教學(xué)更不可能是高質(zhì)量的課堂教學(xué)。因此，物理演示實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的必要內(nèi)容。而DIS即數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為一種探索世界的新工具，其技術(shù)的作用是輔助物理課堂教學(xué)工具，是學(xué)生進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)和會(huì)話交流的教學(xué)手段，是學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，協(xié)作式探索和意義建構(gòu)的認(rèn)知工具。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生是教學(xué)的主體，教師在教學(xué)中起主導(dǎo)作用。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)從學(xué)生知識(shí)的意義建構(gòu)、學(xué)生情感思維教育的角度出發(fā)，通過(guò)物理演示實(shí)驗(yàn)借助DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)展開(kāi)物理教學(xué)。教師應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)以DIS為中心，課堂上過(guò)度地展示DIS的技術(shù)，喧賓奪主的現(xiàn)象。2、軟件對(duì)口，連線正確DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成較復(fù)雜，其中包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器。要進(jìn)行DIS演示實(shí)驗(yàn)，教師要保證DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身能夠正常的運(yùn)行。首先，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要安裝與系統(tǒng)相應(yīng)的后臺(tái)處理軟件，保證在數(shù)據(jù)線連接的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器間能正常通訊。其次，要用專用的數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器。如果數(shù)據(jù)線出現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)的更換或進(jìn)行簡(jiǎn)單的修復(fù)處理。第三，在連接好DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)之前，教師應(yīng)先對(duì)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。一旦DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)行以下幾項(xiàng)常規(guī)的檢查。首先，檢查DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件是否對(duì)口。由于DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更新很快，很多學(xué)校出現(xiàn)了幾代DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并存的現(xiàn)象。由于各代DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件驅(qū)動(dòng)程序并不兼容，所以DIS軟件是保證DIS系統(tǒng)正常工作的前提。第二，檢查各類(lèi)數(shù)據(jù)線及其連接情況。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用即插即用模式，一般計(jì)算機(jī)本身出現(xiàn)問(wèn)題的情況很少，而用于連接各裝置的數(shù)據(jù)線是關(guān)鍵。教師應(yīng)檢查各類(lèi)數(shù)據(jù)線是否出現(xiàn)損壞，連接線線頭是否出現(xiàn)生銹、彎折等現(xiàn)象，連接的插口是否出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象等。第三，檢查各類(lèi)傳感器的電源、工作模式是否出現(xiàn)故障。所有傳感器在工作時(shí)都需要工作電源，由于電子技術(shù)的不斷成熟，目前大部分的傳感器都直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集器供電，而數(shù)據(jù)采集器直接通過(guò)數(shù)據(jù)USB接口供電。但位移傳感器的發(fā)射器是獨(dú)立的，它的工作電源必須內(nèi)置在其內(nèi)部。由于電源使用有壽命，所以一旦出現(xiàn)無(wú)法工作時(shí)，教師應(yīng)檢查其電源。目前的位移傳感器存在超聲波、紅外線兩種工作模式，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，我們應(yīng)該采用不同的工作模式。3、安全可靠，確保成功演示實(shí)驗(yàn)一般配合教學(xué)進(jìn)行，安全可靠、確保成功是演示實(shí)驗(yàn)的基本要求之一。演示實(shí)驗(yàn)一般在課堂中進(jìn)行，要確保無(wú)礙于學(xué)生的安全和身體健康。尤其是DIS演示實(shí)驗(yàn)，除了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器之外，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連線眾多，而且隨時(shí)要用到220v的電源，確保學(xué)生安全是第一位的。在確保安全的情況下，成功完成教學(xué)任務(wù)是第一要?jiǎng)?wù)，所以教師要確保演示實(shí)驗(yàn)成功。應(yīng)該說(shuō)，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作非常的穩(wěn)定，系統(tǒng)也非常的可靠，DIS演示實(shí)驗(yàn)的成功率是非常高的。當(dāng)然，也有許多的教師在應(yīng)用DIS演示實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)中出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失敗的現(xiàn)象。演示實(shí)驗(yàn)失敗的原因很多，要確保演示實(shí)驗(yàn)成功，教師課前必須充分準(zhǔn)備并進(jìn)行試做，充分考慮實(shí)際可能的教學(xué)效果，這也是最有效的方法。當(dāng)然，除了提前準(zhǔn)備試做之外，教師在課堂上怯場(chǎng)、緊張導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范或操作失誤的情況也是大量存在的。4、簡(jiǎn)易方便，現(xiàn)象清晰演示實(shí)驗(yàn)要求簡(jiǎn)易方便，包括儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單和由演示現(xiàn)象導(dǎo)出結(jié)論時(shí)解說(shuō)或推理方便。[[][]許國(guó)梁.中學(xué)物理教學(xué)法[M].高等教育出版社.1993年5月：139演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和過(guò)程要清晰，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象務(wù)必使全班學(xué)生看清楚。因此，在設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師會(huì)想方設(shè)法考慮實(shí)驗(yàn)的效果，比如將實(shí)驗(yàn)儀器做的足夠大，采用背景襯托和染色措施顯現(xiàn)不太明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將演示實(shí)驗(yàn)儀器放到適當(dāng)?shù)母叨龋瑢㈧o態(tài)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)化等等。而隨著現(xiàn)代多媒體技術(shù)的發(fā)展，幻燈機(jī)、實(shí)物投影儀極大地方便了教師展示和放大真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，有些無(wú)法演示實(shí)驗(yàn)還可以借助多媒體模擬，極大的提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。隨著DIS傳感技術(shù)的不斷成熟，我們迎來(lái)了物理實(shí)驗(yàn)的真正的數(shù)字化時(shí)代。教師可以應(yīng)用傳感器將所有的物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)直接顯示，在極大的方便了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和放大顯示。學(xué)生可以通過(guò)投影屏幕實(shí)時(shí)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論一目了然。5、正確操作，注意規(guī)范教師的演示實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生具有示范、引領(lǐng)作用，因此在教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示時(shí)一定要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)范。這有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)規(guī)范、實(shí)驗(yàn)基本技能、實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。由于DIS演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，學(xué)生更多時(shí)候關(guān)注點(diǎn)在于DIS神奇的數(shù)據(jù)采集和處理功能，而忽略了實(shí)驗(yàn)本身的魅力。因此，在進(jìn)行DIS演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范化，而DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只是實(shí)驗(yàn)的工具。比如說(shuō)，怎樣正確選擇和使用DIS傳感器，包括DIS傳感器的量程，使用時(shí)的注意點(diǎn)；如何將DIS接入實(shí)驗(yàn)裝置，連接的注意事項(xiàng)；如何按一定的實(shí)驗(yàn)步驟操作；怎樣正確進(jìn)行讀數(shù)和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理采用怎樣的方式，列表還是作圖；如何分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出結(jié)論、進(jìn)行實(shí)事求是的誤差分析，等等。教師在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)的規(guī)范性還應(yīng)滲透科學(xué)探究基本思想。通過(guò)教師演示實(shí)驗(yàn)的言傳身教，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)正確的科學(xué)探究的方法和規(guī)范，進(jìn)而理解物理學(xué)的本質(zhì)，形成科學(xué)態(tài)度、情感與價(jià)值觀，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。因此教師在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)操作時(shí)必須考慮周密，一切都要符合科學(xué)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范化要求，以發(fā)揮實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究的示范作用。（四）DIS物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用1、轉(zhuǎn)換變化速度，記錄稍縱即逝的物理現(xiàn)象中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生檢驗(yàn)物理規(guī)律和理論預(yù)言、期望的物理現(xiàn)象、特征及其變化是否確實(shí)存在，并對(duì)引起變化的原因進(jìn)行分析，返回來(lái)再判斷和證實(shí)物理規(guī)律、理論的正確性。而很多物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程瞬間發(fā)生、稍縱即逝，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難進(jìn)行細(xì)致全面的觀察。DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)能真實(shí)地記錄物理量的變化過(guò)程，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制重現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程清楚直觀。案例1：DIS在驗(yàn)證做功可以改變物體內(nèi)能的規(guī)律中的應(yīng)用[[][]本案例2006年獲嘉興市第五屆中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)秀論文評(píng)選獲二等獎(jiǎng)圖3圖3-1做功改變物體裝置在驗(yàn)證做功可以改變物體內(nèi)能的教學(xué)中，DIS演示實(shí)驗(yàn)利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度傳感器完美的記錄了活塞沖出過(guò)程中，容器內(nèi)溫度在這極短的時(shí)間內(nèi)的變化過(guò)程，成功地驗(yàn)證了做功是改變物體內(nèi)能的一種方法。用DIS溫度傳感器代替靈敏溫度計(jì)，將溫度傳感器插入可樂(lè)瓶，對(duì)瓶?jī)?nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在瓶蓋上加裝了氣門(mén)心，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-2甲。利用打氣筒向可樂(lè)瓶?jī)?nèi)沖氣，從開(kāi)始充氣一直到活塞沖出容器為止利用傳感器記錄數(shù)據(jù)，用圖象法進(jìn)行處理，就能得到如圖3-2乙的變化規(guī)律。圖3-2改裝的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)圖象可見(jiàn)，壓縮空氣時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體溫度逐漸升高，當(dāng)活塞被氣體沖出后，瓶?jī)?nèi)溫度急劇減小，然后溫度慢慢降低。因此，我們得出了對(duì)氣體做功時(shí)，氣體溫度升高，內(nèi)能增加；當(dāng)氣體膨脹對(duì)外做功時(shí)，氣體溫度降低，內(nèi)能減小。利用DIS對(duì)微小物理量的感知，并利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生體驗(yàn)到了物理過(guò)程的精密，從而提高了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的質(zhì)疑能力，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題的嚴(yán)謹(jǐn)精神，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。案例2：應(yīng)用DIS探究壓力陶瓷片的力電轉(zhuǎn)換原理圖3-3壓力陶瓷片應(yīng)浙江五校聯(lián)盟邀請(qǐng)，我有幸在杭州第二中學(xué)開(kāi)了傳感器及其工作原理的教學(xué)公開(kāi)課。本節(jié)課的重點(diǎn)是了解傳感器是能將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的電學(xué)元件。為了使學(xué)生感受生活中存在大量將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的元件，我在向同學(xué)介紹熱敏電阻、光敏電阻、干簧管、霍耳元件、電容等傳感器元件之前，先給同學(xué)們展示了音樂(lè)卡片中找來(lái)一個(gè)壓敏陶瓷片（如圖3-3所示），它能將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這個(gè)元件很普通，很多同學(xué)也玩過(guò)音樂(lè)卡片，但是大部分同學(xué)不知道這小小的元件，我也正是利用學(xué)生對(duì)該元件的好奇心創(chuàng)設(shè)了該情境，從而激起學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容的熱情。圖3-3壓力陶瓷片圖3-4DIS得到的電流圖線由于該壓敏陶瓷片產(chǎn)生的電流很小，用靈敏電流計(jì)可以測(cè)定壓敏電流的值。我采用的辦法是將DIS微電流傳感器接入圖中壓敏陶瓷片，然后畫(huà)出電流隨壓力變化的時(shí)間關(guān)系。請(qǐng)一位同學(xué)輕輕地按壓壓敏陶瓷片，我們得到了電流隨時(shí)間的變化關(guān)系（如圖3-4所示）。當(dāng)學(xué)生看到自己的按壓壓敏陶瓷片時(shí)能產(chǎn)生電流，學(xué)生感覺(jué)很神奇。在這個(gè)情境之后，我自然的引入了傳感器的概念，即在現(xiàn)代技術(shù)中，將能夠把力、溫度、光、聲、電等非電學(xué)量，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量或電路通斷的元件。之后，我們就進(jìn)入了本節(jié)其他元件的學(xué)習(xí)。圖3-4DIS得到的電流圖線該DIS演示實(shí)驗(yàn)成功地記錄了壓力陶瓷片在施加壓力時(shí)，回路中產(chǎn)生了微小的電流。通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄微電流的變化過(guò)程，從而解開(kāi)了壓力陶瓷片之謎。2、轉(zhuǎn)變記錄方式，再現(xiàn)物理變化的全過(guò)程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)記錄方式采用人工讀數(shù)并記錄。在課堂教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)的有效數(shù)據(jù)有限，很多時(shí)候甚至?xí)雎灾匾奈锢碜兓^(guò)程，從而導(dǎo)致演示實(shí)驗(yàn)留于表面，學(xué)生對(duì)于教師的演示實(shí)驗(yàn)聽(tīng)之任之。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的方式，而且根據(jù)需要數(shù)據(jù)記錄頻率可以從1Hz~1000Hz，顯然這是人力所不能及的。而且DIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理功能更是可以隨時(shí)反映物理量的變化過(guò)程，并用圖象的方式記錄留底。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)束了，但是實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象卻被永遠(yuǎn)的記錄了下來(lái)。這也是DIS實(shí)驗(yàn)最強(qiáng)大的功能。案例1：DIS在驗(yàn)證相互作用力規(guī)律中的應(yīng)用圖3-5彈簧間的相互作用力演示圖10在牛頓第三定律的課堂教學(xué)中，為了驗(yàn)證相互作用力之間的關(guān)系，我們一般采用兩個(gè)彈簧對(duì)拉的實(shí)驗(yàn)（如圖3-5所示）驗(yàn)證相互作用力之間等大反向的關(guān)系。課堂演示時(shí)，由于彈簧秤較小，實(shí)驗(yàn)可視性差；借助投影儀之后，又由于影響實(shí)驗(yàn)因素眾多，實(shí)驗(yàn)精度不高；再者，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讀取的數(shù)據(jù)有限，實(shí)驗(yàn)信度不高。所以，利用該演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行牛頓第三定律教學(xué)時(shí)，學(xué)生感覺(jué)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單趣味性差，實(shí)驗(yàn)不夠精確時(shí)又成為學(xué)生笑柄。那么這樣的演示實(shí)驗(yàn)如何改進(jìn)呢？圖3-5彈簧間的相互作用力演示圖10如果用與DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相連接的兩個(gè)力傳感器進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)（如圖3-6甲），雖然兩個(gè)力傳感器類(lèi)似于兩個(gè)彈簧，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻出人意料。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩手各持一只力傳感器，向相反方向拉（或相互敲擊）傳感器，通過(guò)軟件分別將兩只傳感器的“力－時(shí)間”圖線定義為紅色和藍(lán)色。觀察獲得的圖線（如圖3-6乙），發(fā)現(xiàn)兩條圖線基本重合，表示兩力的大小是相等的；將其中一個(gè)傳感器的圖線設(shè)為“鏡像顯示”后重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可獲得以時(shí)間軸為中心上下對(duì)稱的兩條圖線（如圖3-6丙）。相互作用力大小相同方向相反的規(guī)律得以清晰展現(xiàn)。圖3-6DIS實(shí)驗(yàn)研究相互作用力例2：DIS在驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)歐姆定律不適用的規(guī)律中的應(yīng)用圖3-7電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)演示儀一線教師都知道，電動(dòng)機(jī)的教學(xué)是高中教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，主要的難點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)歐姆定律不適用。理論上我們可以從能量角度分析，電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)做功為轉(zhuǎn)化為內(nèi)阻上的焦耳熱和對(duì)外輸出的機(jī)械能。由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律可知或功率表達(dá)式。不難看出，即。因此，部分電路歐姆定律在類(lèi)似于電動(dòng)機(jī)的非純電阻電路中不適用。這樣的推理看似不難，但卻成了學(xué)生解決含電動(dòng)機(jī)電路問(wèn)題的思維障礙。關(guān)鍵問(wèn)題是解決電能絕大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的問(wèn)題。圖3-7電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)演示儀為了解決這個(gè)難點(diǎn)，我利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器搭起了如圖3-7所示的電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)演示器，它可以幫助解決這一難題。電源、滑動(dòng)變阻器、小燈泡和電鍵構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的回路。實(shí)驗(yàn)時(shí)，閉合電鍵，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)扇頁(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)，但與之串聯(lián)的小燈泡不亮；將電動(dòng)機(jī)扇頁(yè)按住，保證電機(jī)不轉(zhuǎn)，小燈光亮起來(lái)了。顯然在沒(méi)有機(jī)械能輸出的情況下，回路中的電流變大了，從中說(shuō)明電動(dòng)機(jī)將絕大部分電能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。該實(shí)驗(yàn)的不足有兩點(diǎn)：第一，這個(gè)實(shí)驗(yàn)小燈泡有一定亮暗的變化，可是現(xiàn)象不太明顯；第二，即使學(xué)生看清楚了小燈泡的亮暗變化，電流變化的程度學(xué)生仍然沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，認(rèn)知沖突不能激起學(xué)生對(duì)新知識(shí)本質(zhì)的理解。圖3-8DIS驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)圖象將此實(shí)驗(yàn)的小燈泡換成電流傳感器，轉(zhuǎn)化成DIS實(shí)驗(yàn)。利用DIS軟件包畫(huà)出電鍵閉合、按住扇頁(yè)、放開(kāi)扇頁(yè)、斷開(kāi)電源的整個(gè)過(guò)程的回路中電流隨時(shí)間的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-8所示。這個(gè)DIS實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了電動(dòng)機(jī)的幾個(gè)特點(diǎn)：1、電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間電流較大，該電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流為正常工作電流的2.2倍左右；2、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)后，電流逐漸穩(wěn)定，當(dāng)按住扇頁(yè)時(shí)，電流急劇增大。按住扇頁(yè)電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，電流為正常工作電流的3.5-4倍左右?？梢?jiàn)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)將大部分電能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。3、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流一般比電機(jī)完全卡住的電流要小，這也是非常實(shí)際的問(wèn)題。利用DIS與傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合，不僅解決了電動(dòng)機(jī)的非純電阻電路問(wèn)題，而且完美地記錄了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、按住扇頁(yè)、放開(kāi)扇頁(yè)、斷開(kāi)電源全過(guò)程中流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流的變化情況，使學(xué)生更加全面的了解真實(shí)的物理過(guò)程，理解電動(dòng)機(jī)的工作原理。圖3-8DIS驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)圖象3、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果演示實(shí)驗(yàn)的效果，不僅決于實(shí)驗(yàn)是否能在學(xué)生大腦中建立起物理現(xiàn)象的鮮明表象，還取決于實(shí)驗(yàn)?zāi)芊翊龠M(jìn)學(xué)生理解知識(shí)，提高學(xué)習(xí)物理的興趣。要做到這一點(diǎn)，首先要保證實(shí)驗(yàn)操作成功，再者要使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、富有感染力。因此，在實(shí)際課堂物理教學(xué)中，有些實(shí)驗(yàn)過(guò)于復(fù)雜，教師應(yīng)該大膽的對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)和完善；有些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與教師所期望的結(jié)論有很大差異，我們應(yīng)該不拘泥于課本，大膽的嘗試改革實(shí)驗(yàn)裝置，引入新的實(shí)驗(yàn)手段，使它更好地適用于教學(xué)。案例1：DIS在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律中的應(yīng)用圖3-9驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)裝置傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)一般采用自由落體驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。這個(gè)實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)的精度很高。但是，任何實(shí)際實(shí)驗(yàn)都存在誤差，紙帶與打點(diǎn)器之間的摩擦導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差，放手時(shí)手的抖動(dòng)移位、數(shù)據(jù)處理時(shí)速度零點(diǎn)的確定、長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)個(gè)人讀數(shù)習(xí)慣都會(huì)導(dǎo)致偶然誤差。DIS在驗(yàn)證機(jī)械能守恒時(shí)方法很多，不管采用哪種方法，其使用的傳感器一般為位移傳感器、速度傳感器、光電門(mén)。我在教學(xué)課堂過(guò)程中采用了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光電門(mén)和單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒。圖3-9驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)裝置圖3-11驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-9所示，鐵架臺(tái)上固定一個(gè)帶有標(biāo)度的1/4底盤(pán)和一個(gè)帶有標(biāo)度的矩形底盤(pán)，保證刻度線水平。磁力夾及磁力夾卡位桿可繞懸點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以停在任意位置。單擺擺線未端固定在懸點(diǎn)O，擺線長(zhǎng)度剛好使圓柱形擺球吸附在磁力夾上。只要按下磁力夾，擺球就可以從初始位置出發(fā)做單擺運(yùn)動(dòng)。光電門(mén)也通過(guò)金屬桿固定在懸點(diǎn)O，同樣可繞懸點(diǎn)O擺動(dòng)并可停在任意位置，可記錄擺球通過(guò)光電門(mén)的擋光時(shí)間，根據(jù)圓柱形擺球擋光片寬度為0.0075m，可以求出擺球通過(guò)光電門(mén)時(shí)的瞬時(shí)速度。如果用直尺測(cè)出光電門(mén)到擺球擺至圖3-11驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最低點(diǎn)時(shí)的高度，我們就可以利用該裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒。圖3-10驗(yàn)證機(jī)械能守恒專用軟件界面利用DIS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與光電門(mén)傳感器連接。將磁力夾固定在如圖所示位置A（離D點(diǎn)高度為0.150m處，分別將光電門(mén)至于最低點(diǎn)D處、離D點(diǎn)高度為0.050m的C處、離D點(diǎn)高度為0.100m的B處。利用DIS實(shí)驗(yàn)軟件打開(kāi)研究機(jī)械能守恒專用軟件，設(shè)置好初始數(shù)值，擺球的質(zhì)量為8g（如圖3-10所示）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先光電門(mén)置于D處，松開(kāi)磁力夾，測(cè)出小球過(guò)D處速度；同理測(cè)出過(guò)B、C處的速度。圖3-10驗(yàn)證機(jī)械能守恒專用軟件界面然后以最低點(diǎn)D處為重力勢(shì)能零點(diǎn)，處理數(shù)據(jù)，如圖3-11所示。我們可以得到，在誤差允許范圍內(nèi)機(jī)械能守恒。一線老師都有經(jīng)驗(yàn)，用自由落體驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)在一個(gè)課時(shí)的機(jī)械能守恒教學(xué)中一般很難完成同時(shí)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。我在機(jī)械能守恒教學(xué)時(shí)，利用以上實(shí)驗(yàn)裝置配以DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成了理論推導(dǎo)之后，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。DIS實(shí)驗(yàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄和快速的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，極大的拓展了物理教學(xué)的時(shí)空。案例2：利用DIS探究電阻率隨溫度的變化關(guān)系圖3-12實(shí)驗(yàn)電路圖一般金屬的電阻率隨溫度升高，電阻率逐漸小，電阻逐漸變小。在這一節(jié)內(nèi)容教學(xué)中，我創(chuàng)設(shè)了一個(gè)金屬隨溫度變化的問(wèn)題情境。利用報(bào)廢的日光燈燈絲（鎢絲R）、小燈泡、電源和電鍵搭建如圖3-12所示電路。電路中電動(dòng)勢(shì)保證電鍵閉合時(shí)，小燈泡微亮。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先閉合電鍵，觀察小燈泡的亮暗情況；再用酒精棉加熱鎢絲，觀察到小燈泡變亮了；然后，停止加熱，小燈泡又恢復(fù)原來(lái)的亮度。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)小燈泡與鎢絲的電阻很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)完全匹配的要求，所以小燈泡的亮度變化不明顯，可視性差。圖3-12實(shí)驗(yàn)電路圖將小燈泡用一電流傳感器替代，如圖3-13所示甲所示。用DIS軟件系統(tǒng)畫(huà)出電鍵閉合后、電路穩(wěn)定時(shí)、加熱電阻時(shí)、停止加熱后、電鍵斷開(kāi)的整個(gè)過(guò)程回路電流隨時(shí)間的變化關(guān)系，重新實(shí)驗(yàn)后得到如圖3-13乙所示的圖象。從圖象中可以明顯看出，電鍵閉合后，電流急劇增加，而由于電流對(duì)鎢絲的加熱作用，電阻率增加，電阻增大，電流減小。閉合穩(wěn)定后，電流趨近于一個(gè)恒定的值，直到開(kāi)始加熱，電阻絲的溫度繼續(xù)上升，電阻率變大，電阻繼續(xù)變大，電流慢慢減小。由于火焰的不穩(wěn)定性，加熱過(guò)程中電阻有小幅的波動(dòng)，導(dǎo)致電流的小幅波動(dòng)。但是一旦停止加熱后，電阻率開(kāi)始減小，電阻變小，電流慢慢增加。電鍵打開(kāi)后電流變?yōu)榱?。圖3-13改裝好的電路和電流隨時(shí)間變化關(guān)系該實(shí)驗(yàn)情境詳細(xì)地記錄了整個(gè)過(guò)程電流隨時(shí)間的變化關(guān)系，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了生動(dòng)的生動(dòng)而全面的物理情境。4、突破思維定勢(shì)，展現(xiàn)意料之外的精彩DIS演示實(shí)驗(yàn)不僅具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性，而且以信息技術(shù)為平臺(tái)的DIS可以更加清晰地再現(xiàn)了物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的科學(xué)研究過(guò)程。在物理教學(xué)中，教師與學(xué)生都容易出現(xiàn)思維定勢(shì)，對(duì)物理現(xiàn)象后的本質(zhì)沒(méi)有研究的意識(shí)，或者說(shuō)我們根本找不到好的方法去顯露自己思維中的漏洞。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以一種數(shù)字化的測(cè)量工具亮相，為我們重新審