DISLab在物理實驗教學中的應用-精選教育文檔

1、DISLab在物理實驗教學中的應用2001年中華人民共和國教育部公布的?根底教育課程改革綱要試行?明確指出,要“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用,促進信息技術與學科課程的整合,逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革、充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢,為學生的學習和開展提供豐富多彩的教學環(huán)境和有力的學習工具.?綱要?強調信息技術要進入課堂,要與各學科融合,這是時代的要求,是全球信息化的必然趨勢.全球信息化影響了人們的生活方式、思考方式和工作方式.借助信息技術,人們可以快速地搜集所需的信息,分析和解決問題.信息素養(yǎng)將是一個現代人應有的素質,因此,物理課程改革應注

2、重將現代信息技術應用于物理教學.物理學是一門實驗學科.物理概念的形成、規(guī)律的發(fā)現、理論的建立都依賴于物理實驗.而傳統的物理實驗幾乎沒有將信息技術結合起來使用的.在投影儀上完成傳統物理實驗的多媒體教學曾一度讓人眼前一亮,但還未真正實現物理實驗與信息技術的融合.多媒體課件和視頻為傳統教學提供了前所未有的真實場景、創(chuàng)設了生動的問題情境.信息技術的利用完美地再現了物理過程,從而優(yōu)化了課堂教學過程.新課程改革要求“改變課程實施過程中過于強調接受學習、死記硬背、機械練習的現狀,倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手、培養(yǎng)學生搜集信息和處理信息的水平、獲取知識的水平、分析和解決問題的水平以及交流與合作的水平.

3、因此國家教育部提出,要“重視將信息技術應用到物理實驗室,加快物理實驗軟件的開發(fā)與應用,諸如通過計算機實時測量處理實驗數據、分析實驗結果等.在這樣的背景之下,上海教研室、上海風華中學與山東遠大網絡媒體責任公司聯合成立了上海市中小學數字化實驗系統研發(fā)中央,最終開發(fā)出了計算機和傳感器結合的數字化信息系統實驗室,即“DISLab"o由于DISLab實驗的教育功能和教育的理念很好的反映了新課程改革的理念.因此DISLab也相繼被編入了普通高中物理的各版教材,成為信息技術與物理課程整合的優(yōu)秀載體.作為優(yōu)秀載體的Dis(DigitalInformationSystem)實驗技術是由“傳感器+數據采

4、集器+實驗軟件包+計算機構成的新型實驗系統.其中,傳感器主要包括力、位移、電流、微電流、電壓、磁、聲、溫度、壓強、光電門等多種傳感器,它們的主要功能是實時地將所測物理量的信號轉化為模擬的電信號輸入數據采集器.數據采集器通過串行方式直接與計算機通信,同時將采集的數據進行模數轉化,變成計算機能識別的數字信號.DISLab的實驗軟件包括教材專用軟件和通用軟件兩種.教材通用軟件是根據現行教材實驗研發(fā)的不可自主調控的實驗,包括力、熱、光、電中教材所要求的可用DISLab操作的實驗.由于界面中物理現象與規(guī)律的顯示方式已被設計好,不能更改,因此只要接入相應的傳感器,采集相應的數據就可以直接顯示實驗的結果,使

5、用既方便又簡潔.教材通用軟件可自定義許多數據處理的要求,如實時采集數據的頻率、圖象實時組合顯示方式、用數學函數進行圖象擬合、用自定義物理規(guī)律進行數學計算等擴展功能,可以使物理規(guī)律的研究過程更富自由度,更能發(fā)揮人們探究物理規(guī)律的想象力,表達人們探究的獨創(chuàng)性.顯然,DIS實驗技術可以更方便而迅速地實時采集數據輸入計算機進行多元化分析處理.DIS實驗技術中的多類型傳感器、多通道數據采集器、多樣化自主操控平臺和強大的函數圖象處理是DIS實驗技術具有的主要技術特征.借助這樣的技術,融合了傳統實驗的DIS教學顯示出了強大的優(yōu)勢,發(fā)揮出了獨特的教育功能.一、DIS實驗提升了物理演示實驗的效果傳統物理演示實驗

6、的實驗設備絕大多數是以十八、十九世紀的物理學知識作為理論支撐設計的,如秒表、米尺、彈簧秤、天平、電流表、電壓表、機械式打點計時器、溫度計等.這些儀器已經被使用了幾十年甚至上百年,它們雖然見證了歷史但卻已無法跟上現代實驗教學的步伐無法滿足現代實驗教學的要求.實驗儀器的讀數僅靠人眼觀察和手工記錄操作不僅耗時而且精確度不高,實驗效率低下.另外,可視性差、讀數誤差大、精度低等缺乏將嚴重影響學生對物理規(guī)律的理解深度.DIS實驗在傳統實驗的根底上用先進可靠的測量手段改變了物理實驗的教學方式,更新了學生探究物理規(guī)律的思考方式.它利用計算機和傳感器等二十世紀下半葉的高科技技術裝備,實時采集傳統實驗儀器和現代實

7、驗裝置中的力、熱、光、電信息,并將其轉化為數字信號,輸入微型計算機之后由終端軟件進行數據的計算處理和圖象分析.利用傳感器感知實驗中的物理量,數據采集速度快、讀數精度高,大大地提升了實驗的可靠性與精度.比方,在研究牛頓三定律時,利用兩個傳感采集它們相互作用時不同運動狀態(tài)下的實驗數據,進行作用力與反作用力的實時比照,我們會發(fā)現無論是在靜止還是勻速、勻加速、勻減速、磁撞等實驗中,相互作用的兩個物體間的作用力與反作用力大小相等,方向相反.這樣的實驗與傳統的實驗相比,大大地提升了實驗的速度、精度,從而具有更強的說服力.利用數據采集器進行模數變換,DIS實驗成為了實現物理課程與信息技術整合的橋梁,使利用計

8、算機實時分析處理數據成為可能,大大地提升了課堂教學的效率.比方,牛頓第二定律的探究實驗,要采用限制變量的思想進行實驗,傳統的實驗裝置要記錄大量的實驗數據,然后應用描點法作出圖象,分析a與F、a與m的關系.數據記錄的繁瑣、重復實驗的耗時、數據處理的難度使實驗教學效率低下,而在傳統實驗的根底上加入光傳感器后,利用光傳感器測物體運動的瞬時速度,使實驗操作方便、快捷,大大節(jié)省了數據處理的時間,提升了實驗的效率.二、DIS實驗拓寬了物理演示實驗領域與傳統的實驗儀器相比,DIS傳感器種類齊全、技術新、精度高、性能可靠.如表1為局部DIS傳感器的技術參數.DISLab測量精度高,能更清楚地顯示可見度小、變化

9、微小的物理過程.比方在研究人體的微弱的生物電、導線切割地磁場產生的微電流、微弱的磁通量變化產生的感生電流、物體的微小的形變等實驗時,傳統的實驗儀器無能為力,而利用精度更高的傳感器可以將物理的變化過程更為形象地顯示出來,加深學生對物理概念和規(guī)律的理解,更深地感悟科學的思想方法.DISLab實驗技術每秒鐘可利用傳感器采集10-2000個數據,信號以光速從傳感器傳遞到微型計算機,而現代的微型計算機強大而快速的數據處理功能使物理實驗中實時采集處理數據成為可能,并將瞬變的物理過程中變化的物理量繪制成實時的動態(tài)變化圖象,從而形象地揭示物理規(guī)律和物理現象的本質.比方,在超重與失重、自感現象、電容的充放電、交

10、流電機發(fā)電的電流變化規(guī)律等暫態(tài)的實驗中,利用傳統實驗依然無法進行研究,而DIS實驗繪出的圖象卻能清楚地反映出實驗過程中物理量的變化規(guī)律,從而有利于學生更好理解物理概念和規(guī)律.三、DIS催生了新的學習方式和教學方式建構主義學習理論認為,知識不是通過教師傳授的,而是學習者在一定的情境即社會背景下,借助他人包括教師和學習伙伴的幫助,利用必要學習資料,通過意義建構的方式獲得的.“情境、“協作、“會話和“意義建構是建構主義學習環(huán)境中的四大因素,建構主義認為,學習總是與一定的情境相聯系的,學習者在實際的情境下利用自己已有的認知結構中的有關經驗去同化與順應所學到的新知識,并賦予新知識某種意義,如果原有經驗不

11、能同化新知識,那么要重組原有知識結構.創(chuàng)設有意義的問題情境,可調動學生學習的積極性,促使學生主動質疑、探究、討論,積極主動去嘗試有意義的建構.物理學是研究自然界的物質結構、物體間的相互作用和物體運動最一般規(guī)律的自然科學.學習物理學的目的就是為了在研究自然與宇宙的過程中尋找利用自然、改造自然的思考方式.物理學之所以被人們公認為一門重要的科學,不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律做出了深刻的揭示,還由于它在開展、成長的過程中,形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系.諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩曾這樣評價自己的工作,與其說是由于我發(fā)表的工作里包含了一個自然現象的發(fā)現,倒不如說是由于那里包含了一個關于

12、自然現象的科學思想方法根底.因此在物理學習或教學過程中,我們更應注重學生物理學思想和方法的培養(yǎng).?根底教育改革綱要試行?要求教育要“改變課程過于注重知識傳授的傾向,強調形成積極主動的學習態(tài)度,使獲得根底知識與根本技能的過程同時成為學會學習和形成正確價值觀的過程."DISLab-一一種探索物理世界的新工具,它有效地改變了中國長期以來所形成知識傳授式的教學模式和死記硬背的學習方式,它進入高中物理課后不僅提升了教師的信息素養(yǎng)、豐富了教師課堂教學的方式,同時學生學習物理的思維方式也發(fā)生很大的變革.比方：交變電流的第一節(jié)內容涉及到產生正弦式交流電條件的問題.通過理論推導,我們得到產生正弦式交流

13、電的條件是：線圈在勻強磁場中以垂直于磁場的定軸以恒定的角速度轉動.由于在推這一結論時,我們習慣性用如圖1所示的交流發(fā)電機來說明電流方向的變化,于是很多學生也習慣地認為該交流發(fā)電機產生的就是正弦式交流電.其原因在于靈敏電流計無法分析出該交流電的大小方向的變化快慢的情況,而只能知道是否在變.而用DISLab電流傳感器代替靈敏電流計實時采集電路中的電流,并對所記錄的數據進行分析,結果令所有的學生驚訝如圖2,該交流發(fā)電機產生的并非正弦式交流電.此時,實驗結果與理論推理的矛盾促使學生主動去思考,尋找問題的原因,喚醒了學生的求知欲.再比方,熱力學第一定律涉及到做功可以改變物體內能問題.傳統的實驗利用快速壓

14、縮空氣使火柴頭燃燒實驗能說明做功可以改變物體的內能.而如圖3實驗利用靈敏溫度計感知膠塞沖出容器口的溫度,這個實驗就很難成功,由于溫度變化太小.而用DISLab溫度傳感器代替靈敏溫度計對容器內溫度進行實時的監(jiān)測,從開始充氣一直到活塞沖出容器為止利用傳感器記錄數據,用圖象法進行處理,就能得到如圖4的變化規(guī)律.通過對微小物理量的感知,學生體驗到了物理過程的精密,從而提升了學生對待問題的質疑水平,培養(yǎng)了學生分析問題的謹嚴精神,提升了學生的學習興趣.憑借這樣的優(yōu)勢,DIS成為了創(chuàng)設生動、有趣、深刻的物理情境的優(yōu)秀載體,成為了轉變物理學習和教學翼念的核心骨,營造出了良好的探究學習的氣氛.生動、有趣、深刻的物理情境引導學生積極進行質疑思考,由被動的、單一的學習方式向自主探究、主動思考、合作交流的多樣化學習方式轉變