白明俠黃 昭張軼炳賈 周

（1寧夏大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，銀川 750021）

（2寧夏大學(xué)物理電氣學(xué)院，銀川 750021）

（3東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210037）

基于DIS的物理探究實驗教學(xué)設(shè)計

白明俠1黃 昭1張軼炳2賈 周3

（1寧夏大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，銀川 750021）

（2寧夏大學(xué)物理電氣學(xué)院，銀川 750021）

（3東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210037）

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）是運用信息技術(shù)整合物理實驗教學(xué)的高新技術(shù)設(shè)備；基于DIS的物理探究實驗具有諸多傳統(tǒng)設(shè)備不具有的優(yōu)點；闡述了基于DIS的物理探究實驗的相關(guān)理論并結(jié)合案例探索構(gòu)建基于DIS的物理探究實驗教學(xué)設(shè)計方法；開展基于DIS的物理探究實驗是新課程改革中學(xué)物理實驗教學(xué)的必然趨勢；旨在引進和倡導(dǎo)基于高科技手段——DIS的物理探究實驗。

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）；物理探究實驗；新課改；素質(zhì)教育；教學(xué)設(shè)計

我國教育部2003年頒布的《高中物理課程標(biāo)準（實驗稿）》中提出：“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗室，加快中學(xué)物理實驗軟件的開發(fā)和應(yīng)用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果等”。[1]基于DIS的探究實驗是學(xué)習(xí)者主動探究的學(xué)習(xí)，適用于所有理科實驗。它在實驗過程中創(chuàng)設(shè)類似科學(xué)研究的情境和途徑，讓學(xué)生通過使用不同類型的傳感器自己收集、分析和處理數(shù)字化信息來體驗知識的產(chǎn)生和創(chuàng)造過程，進而學(xué)會學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。[2]基于DIS的物理探究實驗的核心是要改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，強調(diào)主動探究，其過程既是學(xué)習(xí)的過程又是學(xué)習(xí)的目的。它不同于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，它是以學(xué)生為主體的新型學(xué)習(xí)方式，這無疑會給傳統(tǒng)僵化的教學(xué)模式帶來巨大沖擊。

1 DIS簡介及其研究內(nèi)容

數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS（Digital Information System）是利用計算機接口技術(shù)與多媒體技術(shù)開發(fā)的新型教學(xué)設(shè)備。由計算機和數(shù)據(jù)采集器、配套的“師大教育”軟件、教學(xué)專用傳感器（圖1）構(gòu)成。DIS是集物理量的采集、記錄、分析于一體的綜合實驗平臺，支持四路數(shù)據(jù)并行上傳、實驗結(jié)果的線形、二次、高次曲線擬合。可以完成包括函數(shù)在內(nèi)的復(fù)雜運算，實現(xiàn)了中學(xué)物理實驗設(shè)備與計算機的組合使用 （有關(guān)設(shè)備的詳細資料可直接向南京師范大學(xué)課程資源研究所[3]索閱）。

在國家倡導(dǎo)以學(xué)生的發(fā)展為本，大力推進素質(zhì)教育和研究性學(xué)習(xí)的宏觀背景下，觀察物理現(xiàn)象，突出物理建模，培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)方法形成和應(yīng)用物理概念及規(guī)律的能力成為物理教學(xué)的核心任務(wù)。物理實驗教學(xué)的地位和作用日益突出，改進和完善物理實驗教學(xué)方法和手段，特別是應(yīng)用DIS技術(shù)整合物理實驗教學(xué)，正被物理教學(xué)界廣泛關(guān)注，[4-6]DIS探究過程本身恰恰是它要追求的結(jié)果。

基于對物理實驗教學(xué)的深刻理解和教育改革形勢的正確判斷，南京師范大學(xué)課程研究所開發(fā)了數(shù)字化物理實驗平臺——DIS。DIS實驗研究的內(nèi)容涉及所有的物理量（力、電壓、電流、磁場、毫秒、溫度、壓強、光強、聲、G-M技術(shù)等），可以獨立采集、發(fā)送、處理、上傳，也可以與傳統(tǒng)教學(xué)儀器結(jié)合起來[7]實驗，使現(xiàn)有實驗室裝備獲得數(shù)字化接口。[8]若配合校園網(wǎng)或局域網(wǎng)，可作為理科實驗教與學(xué)的互動平臺；若配合實驗評測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)理科實驗的考試、評價和診斷于一體。基于DIS的物理實驗在國外發(fā)達國家的教育系統(tǒng)中的發(fā)展已經(jīng)十分普遍和成熟，[9]而在國內(nèi)配備數(shù)字化實驗室的學(xué)校卻屈指可數(shù)（僅有南京金陵中學(xué)、武漢華師一附中、深圳寶安中學(xué)等）。[10]基于DIS的物理實驗課程研究是目前物理實驗教學(xué)研究的熱點，已經(jīng)有相關(guān)論文發(fā)表。[11，12]

2 基于DIS物理探究實驗的理論基礎(chǔ)

美國教育家戴爾（E.Dale）在其著作《教學(xué)中的視聽方法》中提出了以“經(jīng)驗之塔”為核心的視聽教學(xué)理論。強調(diào)抽象的學(xué)習(xí)經(jīng)驗必須以具體的學(xué)習(xí)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，他把學(xué)習(xí)經(jīng)驗分為三大類:做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗、抽象的經(jīng)驗并組成一個序列，為視聽媒體應(yīng)用于教學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。戴爾的理論對基于DIS的物理探究實驗教學(xué)具有重要的指導(dǎo)意義：DIS源于理科實驗和信息技術(shù)，把做的經(jīng)驗（在傳統(tǒng)實驗中介入信息技術(shù)），觀察的經(jīng)驗（實驗過程的演示、再現(xiàn)），抽象的經(jīng)驗（概念、規(guī)律）融為一體。DIS強大的數(shù)據(jù)處理和圖像分析功能，為具體經(jīng)驗概括抽象到概念、規(guī)律的揭示搭建了優(yōu)秀的平臺，對學(xué)生理解物理概念、物理規(guī)律助益匪淺。DIS技術(shù)更適合解決探究課題，長于開拓學(xué)生“具體經(jīng)驗”的廣度和深度?；贒IS的物理實驗教學(xué)有利于“理解物理概念、分析物理過程、實施探究教學(xué)、催生更多創(chuàng)新”。[13]

行為主義學(xué)習(xí)理論認為學(xué)習(xí)就是形成刺激和反應(yīng)的聯(lián)結(jié)和聯(lián)想。斯金納將有機體的行為分為應(yīng)答性行為和操作性行為。操作性行為由有機體發(fā)出，有機體主動地作用于環(huán)境。[14]DIS理科實驗設(shè)備恰恰具備支撐這一理論的技術(shù)要素，而且DIS對信息的選擇、加工、處理更準確，實驗效率更高。因此充分利用DIS設(shè)備優(yōu)勢，大力鼓勵學(xué)生動手操作各種傳感器，通過數(shù)據(jù)采集器獲取數(shù)據(jù)，利用計算機處理數(shù)據(jù)，根據(jù)表格、圖線能分析、聯(lián)想、獲得對物理規(guī)律的準確理解。

認知主義學(xué)者布魯納認為人的智慧發(fā)展沿著動作表征、肖像表征、符號表征三種表征系統(tǒng)順序進行。[14]學(xué)生用DIS設(shè)備做探究實驗，從而具有動作經(jīng)驗；利用計算機軟件處理生成動態(tài)的圖線、圖表，有利于學(xué)生形成表象、建立模型，獲得肖像表征的經(jīng)驗；在教師語言指導(dǎo)或同伴互助下，形成符號表征（概念、規(guī)律）。這樣更有利于學(xué)生獨立思考，體驗獲得知識的過程，建立該學(xué)科的知識體系。信息加工論者認為人的認知過程是一個主動地尋找信息、接受信息，并在一定的信息結(jié)構(gòu)中進行加工的過程。[14]人類處理信息的能力有限，DIS軟件能將大量數(shù)據(jù)迅速處理成簡潔易記的信息，利于信息從短時記憶狀態(tài)進入長時記憶狀態(tài)。由數(shù)據(jù)生成的圖線、圖表具有簡約的特征，有利于增大信息量和信息加工。同時因為“映象系統(tǒng)一般說來比言語系統(tǒng)更不容易遺忘，因為圖象比句子更容易用表象來編碼”。[15]所以DIS處理實驗數(shù)據(jù)生成圖表，可以加深對物理概念或規(guī)律的理解。

建構(gòu)主義理論強調(diào)探究性學(xué)習(xí)，DIS則是開展探究實驗最為有效的工具：數(shù)據(jù)和圖線給學(xué)生提供了主動建構(gòu)知識的便利，把實驗結(jié)果與學(xué)生的體驗聯(lián)系在一起；通過學(xué)生的探索、質(zhì)疑、發(fā)現(xiàn)、比較，積極主動去建構(gòu)并進行有意義的學(xué)習(xí)。[15]學(xué)生進行探究實驗時可以選用不同的DIS傳感器和方案，通過對實驗結(jié)果的分析、討論、驗證最終形成概念和規(guī)律的正確理解和把握?；贒IS的物理探究實驗的課題選擇和實驗過程更尊重學(xué)生的自主性，更有利于調(diào)動學(xué)生的興趣，在教學(xué)的探究性和開放性方面，DIS會有更為廣闊的發(fā)展空間。

3 基于DIS的物理探究實驗教學(xué)設(shè)計方法

基于DIS的物理探究實驗教學(xué)設(shè)計應(yīng)著重訓(xùn)練學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力；內(nèi)容兼顧實用性、適應(yīng)性、探索性和實驗方法多元性。充分利用和動手操作現(xiàn)有DIS設(shè)備順利完成實驗，達到提高科學(xué)探究能力和培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)的目的，從而具有必須的批判精神和獨立思考習(xí)慣。敏銳地處理有關(guān)證據(jù)、數(shù)字、模型、邏輯推理和不確定性的問題，包括養(yǎng)成使用各種工具、儀器來解決實際問題的意識。[16]基于DIS的物理探究實驗教學(xué)設(shè)計流程圖見圖2：

圖2 基于DIS的物理探究實驗教學(xué)設(shè)計流程圖

3.1 選定DIS實驗課題

教師可以提供相關(guān)課題的背景信息，讓學(xué)生討論他們了解到的信息并選擇所需探究實驗的DIS設(shè)備，提出一些具有啟發(fā)性的問題供學(xué)生思考。教師的問題應(yīng)分三個層次：基礎(chǔ)問題——綜合問題——未知問題。教師可以針對不同層次的探究性實驗提出不同層次的問題，也可以針對不同的學(xué)生選擇著重提出不同的要求，做到因材施教。

3.2 分析因素，提出假設(shè)

在確定DIS探究性實驗的課題后，根據(jù)已有的物理學(xué)知識和經(jīng)驗、實驗條件、研究方法的可操作性等，綜合權(quán)衡以后，提出假說或猜想。分析哪些物理量可直接用DIS傳感器測量，哪些需要通過測量其它物理量來間接計算，如利用歐姆定律測電阻R=U/I。在測量物理量之前，請學(xué)生們思考哪些表達式中含有該物理量，分組討論。在選擇公式時，要求在實驗室中容易操作，并且測量精度較高。接下來學(xué)生們依據(jù)選定的公式和傳感器類型（如電壓傳感器或電流傳感器）來設(shè)計實驗方案。

3.3 設(shè)計實驗方案

對于選定的DIS探究實驗課題的假說或猜想，學(xué)生獨立或在教師的指導(dǎo)下設(shè)計實驗方案。實驗方案的設(shè)計體現(xiàn)實驗者的綜合知識背景，是探究實驗最重要、關(guān)鍵的步驟。DIS探究實驗方案的設(shè)計，應(yīng)具體考慮實驗方法、測量方法、測量儀器和測量條件等因素。

首先，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)DIS實驗探究課題提出假說或猜想，收集各種需要的實驗資料，即根據(jù)一定的物理原理，確定在被測量與可測量之間建立關(guān)系的各種可能的方法。然后，比較各種實驗方法所能達到的實驗精度、實驗條件及實施的可能性，以便確定利于發(fā)揮DIS優(yōu)勢的“最佳”實驗方法。

其次，選定好“最佳”實驗方法后還應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)臏y量方法。有的物理量只能用特定的DIS傳感器，但有的物理量的測量卻可以用不同的DIS傳感器組合，這時就應(yīng)該對測量誤差作初步的分析，務(wù)求使測量結(jié)果的誤差最小。為此需要對誤差來源及誤差傳遞進行分析，還要對間接測量與直接測量之間關(guān)系進行研究。以《天體重力加速度的測定》為例，利用光電門傳感器測出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊闹?，然后以此為?biāo)準來查找其他天體的重力加速度。先測定重力加速度，取擺長為1m的單擺，測出單擺50次全振動所用時間 t， 則 g=4π2L/T2=4×9.87×1.01/（t/50）2=105/t2。如表 1：

表1 重力加速度與時間對照表

表中每個t值與g值對應(yīng)，實驗中只要從秒表上讀出時間t，就可以在表格中查出對應(yīng)的g值。

第三，測量方法選定后應(yīng)考慮測量該實驗方案的物理量需要哪些與DIS設(shè)備配套的輔助材料和實驗環(huán)境。如《單擺周期的測量》是探討重力加速度對周期的影響。在演示用的圓形電磁鐵上方懸掛一個單擺（擺長約lm，擺球為小鐵球），靜止時擺球與電磁鐵相距1cm。借此改變重力加速度?；蛟谘菔居玫膱A形電磁鐵的上方懸掛1個電磁擺球（自制或用電磁鐵改制）。

初步提出DIS探究實驗方案后接著進行論證，考察所提方案能否達到實驗要求，實驗測量裝置是否合適，所選的DIS儀器搭配是否合理，是否可以達到所要求的精度，以及誤差傳遞公式檢驗所選擇的實驗條件是否有利于減少誤差等，以便及時修正實驗方案。

3.4 分析實驗、總結(jié)結(jié)論

第一，形成解釋。學(xué)生完成DIS物理探究實驗后，根據(jù)物理學(xué)的基本概念、基本原理、基本方法，運用歸類、分析、推淪、預(yù)測，以及像批判性推理和邏輯等一般方法，提出自己對DIS實驗結(jié)果的因果關(guān)系的解釋。在形成解釋的過程中，學(xué)生將實驗或觀察的結(jié)果與己有的知識聯(lián)系起來，形成超越已有知識和當(dāng)前觀察結(jié)果的新的理解，以完成新的意義建構(gòu)。

第二，評價、修正結(jié)果。通過DIS探究實驗所得出的數(shù)據(jù)以及據(jù)此推理出來的結(jié)果是否能夠證明所提出的解釋？根據(jù)DIS實驗所得出的數(shù)據(jù)還能不能得出其他的解釋？由數(shù)據(jù)到解釋的推理過程中有沒有明顯的偏見和缺點？比較各自的研究結(jié)果，與教師或教材的結(jié)果比較來評價可能的解釋。

第三，交流、檢驗、應(yīng)用結(jié)果。學(xué)生交流各自的DIS探究過程和結(jié)果，一方面學(xué)生就自己的DIS探究實驗的設(shè)計思想以及自己在探究過程中形成的見解與他人交流，聽取他人的意見和建議并進行討論；另一方面可以就他人的探究結(jié)果提出疑問或者不同解釋，改進自己的探究實踐。

4 結(jié)語

在基于DIS的物理探究過程中激發(fā)學(xué)生持久的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)敢于思考、樂于合作、勇于實踐的態(tài)度。變被動接受知識的過程為主動探索和獲取知識的過程，注重獲取知識過程的教學(xué)，明確探究實驗的學(xué)生主體地位。讓學(xué)生在基于DIS設(shè)備的物理探究活動中體驗探索的艱辛和成功，激發(fā)學(xué)生探索的興趣和熱情，這與新課程改革的理念是高度一致的。教師引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法和準確的實驗操作來實踐探究的過程、驗證已有的現(xiàn)象和規(guī)律，這樣的探究式教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新水平，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。這恰恰是筆者引進和倡導(dǎo)DIS物理探究實驗的初衷。

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THE INQUIRY PHYSIC EXPERIMENTS'TEACHING DESIGN OF HIGH SCHOOL BASED ON DIS

BAI Ming-xia1HUANG Zhao1ZHANG Yi-bing2JIA Zhou3
（1 Educational Science Institute of Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021）
（2 Physics and Electronic Institute of Ningxis University， Yinchuan Ningxia 210097）
（3 Information Institute of Nanjing Foreast University，Nanjing Jiangsu 210037 ）

Digital Information System （DIS） is a high-tech laboratory apparatus to combine physics experiments teaching by using information technique.Physics inquiry experiments based on DIS have many strongpoints comparing with traditional ones.The interrelated theories of physics inquiry experiments based on DIS are expounded in details and methods of teaching design are explored following with several cases.The development of physics experiments based on DIS is an inevitable trend.The purpose is to introduce and sparkplug physics inquiry experiments based on a high-tech means-DIS.

Digital Information System （DIS）；Physics Inquiry Experiments；New Curriculum Reform；Quality-oriented Education；Teaching design

G40-012，G434

A

1672－2868（2010）06－0135－05

2010-7-17

寧夏教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題-中學(xué)物理課程改革與新課程銜接的研究（項目編號：NXJKZ07-4）。

白明俠（1983-），女，滿族，遼寧新民人。在讀研究生，研究方向：物理課程教學(xué)論。

責(zé)任編輯：陳 鳳