吳禮晨+查漢華+楊海青

摘 要：本文通過DIS數(shù)字信息系統(tǒng)與教師自制教具教學(xué)資源的深度整合，以實驗探究的教學(xué)策略，顯性化研究物理現(xiàn)象、定量化建構(gòu)物理概念、可視化建立物理規(guī)律，優(yōu)化了實驗教學(xué)，提高物理教學(xué)的有效性。

關(guān)鍵詞：DIS數(shù)字信息系統(tǒng)；自制教具；資源整合；實驗改進

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）12-0052-3

《物理課程標準（實驗）》中內(nèi)容標準共分為三大部分，第一位的就是“科學(xué)探究及物理實驗?zāi)芰σ蟆薄０盐锢韺嶒災(zāi)芰σ笞鳛閮?nèi)容標準的一個獨立的主題，物理實驗在《物理課程標準（實驗）》中的地位是顯而易見的。物理實驗在學(xué)習認知、體現(xiàn)科學(xué)觀念及科學(xué)方法論等方面均能發(fā)揮重要作用?；诖?，《物理課程標準（實驗）》大力提倡發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用。課標建議“盡可能讓學(xué)生嘗試用計算機處理數(shù)據(jù)，學(xué)會用通用軟件來簡單處理實驗數(shù)據(jù)”，同時“還提倡用身邊常見的生活器具來做物理實驗”[1]?！痘A(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》明確要求：積極開發(fā)并合理利用校內(nèi)外各種課程資源，教育部在《關(guān)于新形勢下進一步做好普通中小學(xué)裝備工作的意見》明確提出鼓勵教師自制教具?；谶@些文件的理念指導(dǎo)和強烈建議，結(jié)合對物理實際教學(xué)存在的問題分析，發(fā)揮教師立德樹人的熱情及創(chuàng)造力，在整合自制教具的課程資源與DIS數(shù)字信息系統(tǒng)的現(xiàn)代信息技術(shù)，定量化收集實驗數(shù)據(jù)、快捷化處理實驗數(shù)據(jù)，可視化顯示物理規(guī)律上做了一些嘗試。現(xiàn)代信息技術(shù)與自制教具資源的有機整合，優(yōu)化了實驗教學(xué)手段，開闊了學(xué)生的視野，拓展了學(xué)生的思維。

1 顯性化研究物理現(xiàn)象——超重失重現(xiàn)象

1.1 實驗探究的必要性

超重與失重是高中物理中具有典型性與代表性的問題之一。但是，教材及老師的課堂處理，使學(xué)生在學(xué)習上沒有經(jīng)歷情境探究、知識構(gòu)建的過程。因此，在教學(xué)效果上學(xué)生對于超重與失重的物理本質(zhì)內(nèi)涵存在很多困惑?！段锢碚n程標準（實驗）》對此有明確要求：通過實驗認識超重與失重。依據(jù)超重失重的物理現(xiàn)象的特點，高中學(xué)生的認知心理規(guī)律及課程標準的理念要求，我們嘗試整合DIS系統(tǒng)與自制教具進行實驗探究教學(xué)。

1.2 實驗探究

【實驗器材】 DIS系統(tǒng)軟件，計算機，無線力傳感器，無線加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集器及無線接口。自制教具模擬電梯如圖1，實驗裝置如圖2。

【實驗操作】

（1）按圖2所示的實驗裝置，打開DISLab7.2軟件，開啟無線加速度、力傳感器開關(guān)；

（2）點擊軟件加速度傳感器端口按鈕，在加速度實時采集欄中選擇Z維度并調(diào)零。再選擇軟件力傳感器端口按鈕并調(diào)零。點擊計算表格按鈕，將采集間隔調(diào)整為0.2 s。

（3）在力傳感器下掛上2 N砝碼，點擊自動記錄開始按鈕，并同時將模擬電梯從最低端靜止釋放。在模擬電梯完成2～3個周期后，用手停止其運動。

（4）點擊繪圖按鈕，分別作出F-t、a-t圖像。（為區(qū)別可采取不同顏色標注）

【實驗結(jié)果】 獲得的數(shù)據(jù)如圖3，通過繪圖得到圖像如圖4，其中F-t（圖線1）、a-t（圖線2）。

【實驗結(jié)論】 加速度向上，物體處于超重狀態(tài)。加速度向下，物體處于失重狀態(tài)。

【注意事項】 實驗前“電梯”需要調(diào)整裝置水平狀態(tài)，確保“電梯”在豎直平面內(nèi)做一維運動，盡量減小“電梯”與鋼柱間的摩擦。調(diào)整彈簧上端懸線長度，挑選自制教具中三個彈簧的勁度系數(shù)，盡量模擬真實的電梯運行，提高實驗與生活情境的真實接近性。同時，做好運動時的上下緩沖，調(diào)節(jié)“電梯”振幅，使物理圖像可視化較好。DIS系統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)置為0.2 s為宜。

2 定量建構(gòu)物理概念——磁感應(yīng)強度B的概念

2.1 實驗探究的必要性

磁感應(yīng)強度是電磁學(xué)的基本概念，也是核心概念之一，它對于“磁場”及其后續(xù)知識的學(xué)習，都有著關(guān)鍵性的作用。教材通過與電場強度的類比，以比值定義的方法給出了磁感應(yīng)強度的概念。事實上，學(xué)生在學(xué)習認知上還是存在很大的困難，對于尋找如何描述磁場強弱和方向的物理量依然存在很多困惑。所以，有必要通過實驗探究的教學(xué)方式進行教學(xué)，增強教學(xué)的說服力，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和證據(jù)意識，提升實驗探究能力[2]。

2.2 實驗探究

【實驗器材】 DIS系統(tǒng)軟件，計算機，力傳感器，多抽頭自制線圈（圖5），間距可調(diào)的自制磁體（圖6），滑動變阻器，學(xué)生電源，電鍵，數(shù)據(jù)連接線及導(dǎo)線等。

【實驗操作】

（1）按如圖7方式組裝實驗裝置，連接導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線，調(diào)試DIS配套軟件。

（2）閉合開關(guān)，采集數(shù)據(jù)開始，移動滑動變阻器，改變電流I的大小，繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，斷開開關(guān)，采集數(shù)據(jù)結(jié)束（圖8）。

（3）DIS系統(tǒng)軟件以安培力F為縱軸y，電流I為橫軸x作圖（通電導(dǎo)線的長度取250匝），線性擬合，如圖9。

（4）保持0匝鱷魚夾接線柱、學(xué)生電源電壓、滑動變阻器滑片位置等不變，將另一鱷魚夾依次與50匝、100匝、150匝、200匝、250匝、300匝，DIS系統(tǒng)軟件逐個收集數(shù)據(jù)。

（5）DIS系統(tǒng)軟件以安培力F為縱軸y，通電導(dǎo)線的長度（匝數(shù)）為橫軸x作圖，線性擬合。最后，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析，建構(gòu)磁感應(yīng)強度B的概念。

【實驗結(jié)果】 獲得的實驗數(shù)據(jù)如圖8，DIS系統(tǒng)軟件作圖線性擬合的物理圖像如圖9（此圖8、圖9為在2015年安徽省中小學(xué)實驗說課比賽活動中現(xiàn)場的實驗數(shù)據(jù)和圖像）。

【實驗結(jié)論】 磁場中通電導(dǎo)線受力F與電流I和長度L的乘積IL成正比。

【注意事項】 多抽頭自制線圈如圖5選用的漆包線直徑不宜過大，抽頭處電焊焊接不能是虛焊，繞制完成后要用棉線將線圈扎牢固，防止通電時導(dǎo)線排斥，影響平衡。線圈受力的一邊實驗前要調(diào)制平直，實驗時放置在間距可調(diào)磁體如圖6的平口處與磁體平行。DIS系統(tǒng)軟件采集數(shù)據(jù)時的采集頻率設(shè)置成20 Hz，不宜過高。

在可視化建立物理規(guī)律上，譬如自制實驗教具資源與DIS中光電門的整合，可視化建立機械能守恒定律；自制多匝線圈資源與DIS微電流傳感器的整合，可視化建立法拉第電磁感應(yīng)定律等也可以有一些富有創(chuàng)意和效果優(yōu)秀的教學(xué)嘗試。

3 實驗評價及教學(xué)主張

DIS數(shù)字信息系統(tǒng)使實驗數(shù)據(jù)收集快捷化，圖像繪制擬合使物理規(guī)律顯性化、直觀化，有利于建構(gòu)物理觀念和培養(yǎng)提高實驗探究能力。實驗?zāi)M生活中電梯這一工具，使物理教學(xué)更加親切；自制多匝抽頭的線圈使疊加原理和微小量放大的實驗思想更易于理解，有利于培養(yǎng)物理科學(xué)思維。DIS數(shù)字信息系統(tǒng)的實際課堂使用，尤其是最先進的器材——無線傳感器和最新版本的配套軟件，使物理教學(xué)更具時代性；實驗資源的自創(chuàng)，體現(xiàn)出教學(xué)的創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的新時代創(chuàng)新精神和實驗探究能力，培養(yǎng)時代意識與責任。因此，DIS數(shù)字信息系統(tǒng)與自制實驗教具深度整合做定量實驗，用多種方式收集數(shù)據(jù)，優(yōu)化實驗教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)、提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

研究新課程理念，深入體會物理學(xué)科核心素養(yǎng)四個維度的深刻內(nèi)涵，研究物理學(xué)科的特征與學(xué)生的心理認知規(guī)律，并以此為指導(dǎo)。在日常物理教學(xué)中開發(fā)更多更有效的實驗教學(xué)資源，引進更具時代性的教學(xué)技術(shù)手段和多媒體技術(shù)，通過多元整合，優(yōu)化物理實驗教學(xué)，為提高物理教學(xué)效果和提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)而上下求索。

參考文獻：

[1]物理課程標準研制組.普通高中物理課程標準（實驗）解讀[M].武漢：湖北教育出版社，2003：157—160.

[2]楊海青，楊皓.基于實驗探究-研討模式建構(gòu)磁感應(yīng)強度概念[J].物理教學(xué)探討，2016，34（8）：78—79.

（欄目編輯 王柏廬）