數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)DISLab與傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)DISLab與傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

對(duì)于中學(xué)物理而言，實(shí)驗(yàn)是課堂教學(xué)的重要組成部分。常見的有演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)小實(shí)驗(yàn)等，其中演示實(shí)驗(yàn)是指為配合教學(xué)內(nèi)容主要由教師操作表演的示范性實(shí)驗(yàn)，把要研究的物理現(xiàn)象展示在學(xué)生的面前，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考，穿插講解或配合學(xué)生討論等方式使學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律，達(dá)到“事半功倍”的效果；或者通過演示實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)和示范作用[1，2]，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力創(chuàng)造條件。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)中使用，是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分。目前中學(xué)物理課本中所涉及的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器精度普遍偏低，系統(tǒng)誤差較大，而且實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的采集一般都是由實(shí)驗(yàn)者通過測(cè)量儀器的示數(shù)來讀取，數(shù)據(jù)規(guī)律的擬合結(jié)果往往通過手工描點(diǎn)作圖法來獲得，致使主觀因素所導(dǎo)致的偶然誤差增大。且演示實(shí)驗(yàn)在45分鐘課堂上所占用的時(shí)間不能過多，在短短的時(shí)間內(nèi)要完成儀器介紹、操作，數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論等一系列工作顯然有很高的挑戰(zhàn)性，不少教師因此變做實(shí)驗(yàn)為講實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中，由于人眼觀察與手工記錄的斷續(xù)性，對(duì)于空間尺度上人眼難以觀察的細(xì)微過程，往往借助于顯微鏡才能實(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)間尺度上細(xì)微過程就更加難以捕捉，難以記錄，這是長期以來物理實(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)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引進(jìn)，改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能定性講述的局面。一、引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)代教育理論，在教學(xué)活動(dòng)這一認(rèn)知領(lǐng)域內(nèi)，“外部刺激”這一因素的強(qiáng)弱影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性的發(fā)揮?！巴獠看碳ぁ迸c作為認(rèn)識(shí)主體的學(xué)生內(nèi)部心理過程之間的良好相互作用，可以最大限度地激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)心理要求。以往的“教師做、學(xué)生看”的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剿斐傻耐獠看碳ね_(dá)不到認(rèn)識(shí)主體——學(xué)生的學(xué)習(xí)心理要求，將現(xiàn)代化的信息技術(shù)引入演示實(shí)驗(yàn)可以極大地提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的求知欲。新的課程標(biāo)準(zhǔn)中也提出要將現(xiàn)代化信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)全面整合的要求，應(yīng)運(yùn)而生的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就很好地實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅是技術(shù)層面的提高[3]，更是教育思想觀念的進(jìn)步。傳感器、計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)設(shè)備都是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的成果，把它應(yīng)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以開闊學(xué)生的視野，也為科學(xué)方法的培養(yǎng)和科學(xué)精神的塑造提供了鮮活的素材。教學(xué)中采用的是山東省遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限責(zé)任公司生產(chǎn)的朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)（DISLab），由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包（教材專用軟件、通用軟件）+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實(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[4，5]。首先，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)手段的數(shù)字化，9個(gè)不同的傳感器配合數(shù)據(jù)采集器將壓強(qiáng)、溫度、力等各種物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，選擇數(shù)字顯示可使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更精密，顯示更直觀；其次，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“點(diǎn)采集”轉(zhuǎn)向到“線采集”，以極短的時(shí)間記錄大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以有效地解決暫態(tài)現(xiàn)象難測(cè)量等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法解決的問題，如聲波的測(cè)量、超重失重現(xiàn)象的測(cè)量等；最后，還實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“測(cè)量——記錄——呈現(xiàn)”的一體化，有效地克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中演示實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、耗時(shí)長，效果不理想的弊端。二、超重與失重現(xiàn)象的研究（1）將數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接好，打開計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器，將一只力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器。（2）點(diǎn)擊教材專用軟件主界面上的實(shí)驗(yàn)條目“超重失重”，打開該軟件。（3）點(diǎn)擊“開始記錄”，在力傳感器測(cè)鉤上掛上重為3～8N之間的砝碼，然后讓傳感器沿豎直方向加速上升和下降，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見下頁圖1）。（4）觀察圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖線，研究其中的不同段落對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)過程，得出：A→B→C，F(xiàn)=mg-ma＞G，物體處于超重狀態(tài)；C→D→E→F，F(xiàn)=mg+ma＜G，物體處于失重狀態(tài)。以往，用測(cè)力計(jì)來做超重失重實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程短暫，稍縱即逝，不易觀察。用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以將實(shí)驗(yàn)過程定格，記錄下來便于教師與學(xué)生分析、理解。三、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢?yàn)證機(jī)械能守恒定律，往往用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出紙帶，再分析處理數(shù)據(jù)，最后得出機(jī)械能守恒的結(jié)論，基本上要花上15～20分鐘，耗時(shí)長，而且實(shí)驗(yàn)誤差大，勉強(qiáng)得出結(jié)論，學(xué)生不信服。現(xiàn)在可以結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用擺球法或斜軌法來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。以擺球法為例，進(jìn)行分析。（1）將DISLab機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器按裝配圖（見圖2）安裝好，把光電門傳感器固定在實(shí)驗(yàn)器的A點(diǎn)，并接入數(shù)據(jù)采集器的第一通道；（2）將小擺球用磁鐵夾吸住，固定在A點(diǎn)上方5～10cm處；（3）移動(dòng)光電門傳感器固定臂，使用測(cè)平器觀察并調(diào)整光電門的透光孔正好在A點(diǎn)；（4）打開通用軟件中的“計(jì)算表格”，點(diǎn)擊“自動(dòng)記錄”中的“開始”，釋放擺球，當(dāng)擺球通過光電門傳感器后，阻止擺球回?cái)[；（5）移動(dòng)光電門傳感器固定臂，使用測(cè)平器觀察并調(diào)整光電門的透光孔分別位于B、C、D點(diǎn)，重復(fù)步驟4，獲得4次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（6）點(diǎn)擊“變量”分別定義h、m表示光電門距零勢(shì)點(diǎn)的高度和擺球的質(zhì)量，并輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)；（7）點(diǎn)擊“公式”，輸入計(jì)算擺球速度和擺球在各點(diǎn)的機(jī)械能公式，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1）。由結(jié)果可見，擺球在4個(gè)點(diǎn)的機(jī)械能變化范圍小于3％，在誤差范圍內(nèi)?？傻贸鼋Y(jié)論，在只有重力做功的情況下，機(jī)械能守恒。從而驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。這個(gè)實(shí)驗(yàn)一般在3～4分鐘就可以完成，耗時(shí)短，節(jié)省