關(guān)于數(shù)字化信息系統(tǒng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合*

任俊仙

(太原師范學(xué)院山西 太原030031)

*全國(guó)教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題“中國(guó)電化教育(教育技術(shù))發(fā)展史研究”之子課題——“電化教育實(shí)驗(yàn)研究”，項(xiàng)目編號(hào)：DCA070186

摘 要：通過(guò)對(duì)數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)的構(gòu)成、教育功能及應(yīng)用背景的分析，并舉例說(shuō)明將數(shù)字化信息系統(tǒng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行整合后，可克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的多種弊端，優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)效率和質(zhì)量，體現(xiàn)新課程的教育教學(xué)理念，把物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)推入數(shù)字化時(shí)代.

關(guān)鍵詞：DIS物理演示性實(shí)驗(yàn)物理探究性實(shí)驗(yàn)整合

作者簡(jiǎn)介：任俊仙(1951-)，女， 高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)、現(xiàn)代教育技術(shù)、半導(dǎo)體器件.

收稿日期：(2014-12-23)

1引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展、國(guó)家基礎(chǔ)教育課程改革的穩(wěn)步推進(jìn)，以及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家將數(shù)字化信息系統(tǒng)應(yīng)用于理科教學(xué)的積極影響，我國(guó)新課程改革對(duì)信息技術(shù)尤其是基于傳感器的數(shù)字化信息系統(tǒng)與課程整合提出了明確要求.國(guó)家教育部提出，要重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)室，加快物理實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，諸如通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等[1].由于數(shù)字化信息系統(tǒng)的教育功能和教育理念很好地反映了新課改的理念，因此數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也相繼被編入物理教材，成為信息技術(shù)與物理課程整合的優(yōu)秀載體.在這樣的形勢(shì)之下，我們必須去研究利用數(shù)字化信息系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略與方法，創(chuàng)新教學(xué)模式，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，從而提升教育技術(shù)與教學(xué)成果.

2數(shù)字化信息系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字化信息系統(tǒng)即DIS(Digital Information System的縮寫(xiě)),是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)軟件包組成的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù).

2.1傳感器

傳感器是一類能把力、溫度、光、聲等非電學(xué)量，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量或電路通斷的原件.它主要包括力、位移、聲音、壓強(qiáng)、溫度、電壓、電流、微電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度、光照強(qiáng)度、光電門(mén)等多種傳感器.與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比，DIS傳感器種類齊全、技術(shù)新、精度高、性能可靠.

2.2數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是連接傳感器與計(jì)算機(jī)的橋梁,它的主要功能是將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào).

2.3計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)軟件包

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)+實(shí)驗(yàn)軟件包具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可對(duì)由數(shù)據(jù)采集中輸出的多組數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地收集、計(jì)算、分析、呈現(xiàn).實(shí)驗(yàn)軟件包的界面友好，操作方便，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立顯示、四路并行疊加顯示、多種模式顯示、放大顯示，同時(shí)支持實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形分析、圖線擬合、各類計(jì)算處理.

3數(shù)字化信息系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為探索物理世界的新工具，成功地克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合.應(yīng)用DIS進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)DIS的成功應(yīng)用開(kāi)啟了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化時(shí)代.

(2)DIS實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的有效整合與超越.

(3)DIS實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)功能體現(xiàn)新課程理念.

(4)DIS的使用可縮短我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家在實(shí)驗(yàn)儀器使用上和教育理念上的差距.

4DIS與物理實(shí)驗(yàn)整合的案例分析

4.1DIS與演示性實(shí)驗(yàn)整合的研究

演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指為配合教學(xué)內(nèi)容主要由教師操作，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.演示實(shí)驗(yàn)包括教師用儀器和實(shí)物進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)演示，教師在課堂上出示模型、實(shí)物，教師放映錄像、電影、幻燈等教學(xué)片及利用信息技術(shù)進(jìn)行演示的實(shí)驗(yàn).它可以在引入課題、獲取新知識(shí)、鞏固知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中起到事半功倍的作用，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分.

傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)定位于培養(yǎng)學(xué)生的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.而且大多數(shù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器精度普遍偏低，系統(tǒng)誤差較大，再加上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集一般都是由實(shí)驗(yàn)者通過(guò)測(cè)量?jī)x器的示數(shù)來(lái)讀取，數(shù)據(jù)規(guī)律的擬合結(jié)果往往通過(guò)手工描點(diǎn)作圖法來(lái)獲得，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)致使主觀因素所導(dǎo)致的偶然誤差增大.再者，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于人眼觀察和手工記錄的斷續(xù)性，對(duì)于在空間尺度上人眼難以觀察的細(xì)微過(guò)程，往往借助顯微鏡才能實(shí)現(xiàn)細(xì)致的觀察，很難在演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中操作；對(duì)于時(shí)間尺度上的細(xì)微過(guò)程就更加難以捕捉，難以記錄，這是長(zhǎng)期以來(lái)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)，瞬間變化的可視化更是難點(diǎn)中的難點(diǎn).DIS引入后，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的這些弊端迎刃而解.下面僅以電容器充放電實(shí)驗(yàn)為例，予以說(shuō)明.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娙萜鞒浞烹姷倪^(guò)程，了解脈沖上升前沿與下降后沿與哪些因素有關(guān).

實(shí)驗(yàn)原理： 電容器充放電的過(guò)程中，電容器上的電壓不能突變，充電過(guò)程中電壓為

(1)

放電過(guò)程中電壓為

(2)

式中U0為充足電荷后電容器上的電壓，電容器的充、放電電壓均按指數(shù)規(guī)律變化.

實(shí)驗(yàn)方法：在充電過(guò)程和放電過(guò)程中讓微機(jī)實(shí)時(shí)采集電容器上的電壓指數(shù)，即可以在屏幕上觀測(cè)到電容器充放電的圖像.

實(shí)驗(yàn)儀器：計(jì)算機(jī),物理數(shù)據(jù)采集儀，RLC暫態(tài)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)板等.

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)在RLC上連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

(2)用電壓傳感器C與接口箱上的模擬輸入B通道相連.

(3)按數(shù)據(jù)采集圖標(biāo)，將開(kāi)關(guān)S處于位置1時(shí)，給電容器充電，屏幕上出現(xiàn)充電曲線，如圖1綠色曲線.

(4)按保留采集圖標(biāo)，原充電曲線成為保留曲線.它將改變顏色，將開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí),屏幕上除保留充電曲線外，又出現(xiàn)放電曲線，如圖1紅色曲線.

圖1　電容器充放電實(shí)驗(yàn)圖像

結(jié)果分析：

(1)電容器的充、放電電壓均按指數(shù)規(guī)律變化.可由式(1)和式(2)求得.

(2)充電時(shí)，電容器兩極間的電壓逐漸增大，穩(wěn)定時(shí)為電源電壓，放電時(shí)兩極間的電壓逐漸減小，直到為零，放電結(jié)束.

(3)充電和放電開(kāi)始時(shí)，圖線的斜率最大，說(shuō)明電壓變化得快.隨后斜率越來(lái)越小，說(shuō)明電壓變化變慢.

一線教師都知道，電容器的實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難完成.只能通過(guò)一定的圖片讓學(xué)生觀摩和想象,或者利用多用表的電阻擋測(cè)電容，也是粗略地比較電容器容量的大小和有無(wú)漏電.由于電容器的充、放電時(shí)間很短，一般電表存在慣性，無(wú)法測(cè)量電容器充、放電過(guò)程的電流.若用“示波”法采集電容器充、放電電流、電壓隨時(shí)間變化的圖像，因示波器掃描較快，圖像只能在屏幕上閃現(xiàn)一下，不便于觀察.現(xiàn)在我們引入DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用以上實(shí)驗(yàn)裝置，就克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的缺憾，很簡(jiǎn)單明了地就得出電容器充、放電圖像，使學(xué)生直觀、明顯地觀察、了解脈沖上升前沿與下降后沿的情況.成功地完成了“電容器充放電”這一實(shí)驗(yàn)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材對(duì)于圖像稍縱即逝的物理實(shí)驗(yàn)是無(wú)法完成的.

4.2DIS與探究性實(shí)驗(yàn)整合的研究

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代教學(xué)的一種模式，是新一輪課改的亮點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)， 是使學(xué)生通過(guò)類似于科學(xué)家的探究過(guò)程來(lái)獲取知識(shí)、培養(yǎng)科學(xué)探究能力的一種教學(xué)方法，它具有許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所不具備的特征.由于DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能快速呈現(xiàn)物理過(guò)程，以及其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理功能，大大地節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，使得物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以進(jìn)行更多的科學(xué)探究活動(dòng).

玻意耳-馬略特定律是物理學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典定律.驗(yàn)證玻意耳-馬略特定律是熱學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn).在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，儀器設(shè)備簡(jiǎn)陋，只能用一個(gè)帶有刻度的注射器、鉤碼、鐵架臺(tái)等粗略地探索，而且是人工讀數(shù)和手工處理數(shù)據(jù)，不僅費(fèi)時(shí)，精確度又低.筆者在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拓展課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，取得了良好的教學(xué)效果.

{JP實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈿怏w的特性，探究一定質(zhì)量氣體的壓強(qiáng)、體積、溫度之間的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)原理：在溫度不變時(shí)，一定質(zhì)量氣體的壓強(qiáng)跟它的體積成反比.

實(shí)驗(yàn)儀器：計(jì)算機(jī),物理數(shù)據(jù)采集儀,壓強(qiáng)傳感器,注射器等.

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)壓強(qiáng)傳感器一端連接接口箱模擬通道A，另一端用硅膠管連接封有一定質(zhì)量氣體的注射器.

(2)輸入實(shí)驗(yàn)所在地的大氣壓強(qiáng)100 kPa,和硅膠管的體積20 ml.

(3)連接好計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開(kāi)專用軟件包，選擇氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系的圖像界面.

(4) 逐漸改變氣體體積,在此每2 ml記錄一次數(shù)據(jù).

(5)將所獲得的數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到如圖2所示的圖像.

圖2　驗(yàn)證玻意耳-馬略特定律實(shí)驗(yàn)圖像

結(jié)果分析：在誤差允許的范圍內(nèi)，一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，氣體的壓強(qiáng)和體積成反比關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度高，驗(yàn)證效果顯著.與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，有誤差小、操作方便、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn).

深入探究： DIS軟件提供的自動(dòng)描點(diǎn)、繪圖等功能節(jié)省了大量用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后期處理的時(shí)間，不僅能讓師生在有限的時(shí)間內(nèi)把規(guī)定的實(shí)驗(yàn)做出、做好，還能夠騰出時(shí)間進(jìn)行探索研究.教師可繼續(xù)引申，帶領(lǐng)學(xué)生探究查理定律.

DIS溫度和壓強(qiáng)傳感器的組合使用，使得氣體定律教學(xué)中的另一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)——查理定律實(shí)驗(yàn)獲得了相當(dāng)大的改進(jìn).利用DIS軟件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、公式庫(kù)的調(diào)用和自由表達(dá)式的輸入、計(jì)算、圖線分析等功能，方便、精確、快捷地驗(yàn)證了查理定律：一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，它的壓強(qiáng)跟熱力學(xué)溫度成正比.不僅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)理想，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人信服，而且能夠基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的描點(diǎn)、繪圖，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解.

科學(xué)探究既是一種教學(xué)模式，也是一種創(chuàng)造性的活動(dòng).它以探究科學(xué)規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)，以學(xué)生的探究活動(dòng)為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力為目標(biāo)，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展.運(yùn)用數(shù)字化信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)整合，可以實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)驗(yàn)探究教學(xué).

從以上實(shí)驗(yàn)案例可以看出DIS與物理實(shí)驗(yàn)整合后，有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)高效演繹實(shí)驗(yàn)過(guò)程，凝結(jié)瞬息即逝的暫態(tài)變化

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)行真實(shí)的控制重現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程清楚直觀，便于課堂討論，得出結(jié)論.

(2)超越傳統(tǒng)儀表的測(cè)量范疇，使研究物理量的變化從定性走向定量

由于條件限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)許多都是定性了解，引入DIS后，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，上升到定量研究.可極大地提升學(xué)生探究問(wèn)題的層次，即對(duì)問(wèn)題由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí).

(3) 提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果

計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能可以提高處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的速度和精確度，使師生從大量繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來(lái)，有更多的時(shí)間去觀察實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題.增加了課堂上進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)的時(shí)間，從而優(yōu)化了課堂教學(xué)，提高了物理課堂教學(xué)效果.

5結(jié)論

以上研究分析說(shuō)明，DIS與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以解決的問(wèn)題，完成常規(guī)儀器難以完成的實(shí)驗(yàn)，難以驗(yàn)證的公式、定律，填補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白，并且提高了測(cè)量精度和教學(xué)效果[3].這正是現(xiàn)代教育技術(shù)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)越于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的地方.所以，數(shù)字化信息技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一次教學(xué)手段的革新，是教育技術(shù)的進(jìn)步.無(wú)論理論還是實(shí)踐都證明了DIS技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的作用是不可低估的.隨著時(shí)間的推移，這一現(xiàn)代教育技術(shù)手段的作用將日益顯著地顯現(xiàn)出來(lái).

參 考 文 獻(xiàn)

1中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn).北京：人民教育出版社，2003.64

2南國(guó)農(nóng).讓信息技術(shù)有效地推進(jìn)教學(xué)改革.中國(guó)電化教育，2007(1)：5～7

3任俊仙. DIS與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合.中國(guó)教育信息化，2010(9)：41～43

4劉曉瑩.信息技術(shù)與課程整合的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析.電化教育研究，2007(4)：69～72

The Integration of DIS and Physics Experiment Teaching

Ren Junxian

(Department of Physics,Taiyuan Normal Institute,Taiyuan,Shanxi030031)

Abstract:Ideas of the article from the modern teaching by the digital information system (DIS) , application of the background analysis, composition and function of education, and demonstration of DIS experiments and physical experiments to explore integration of case analysis. That the digital information system and the physical experiment teaching integration is to overcome the traditional laboratory instruments a variety of defects, optimize the physical experiment teaching process, improve the teaching efficiency and quality. DIS successfully open physics experiment teaching of the digital age, and reflet the new curriculum teaching philosophy.

Key words:DIS; inquiry experiment; demonstration experiment;integrate