數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)助力學(xué)生自主探究

【摘要】將信息技術(shù)與物理教學(xué)深度融合，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，能夠更有效地落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者利用DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣，提高課堂探究實(shí)驗(yàn)的效率，達(dá)到了很好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性得到了提高?！娟P(guān)鍵詞】DIS實(shí)驗(yàn)；自主探究；信息化數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS，DigitalInformationSystem）實(shí)驗(yàn)作為一種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段已被應(yīng)用到物理新課程中。DIS實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)稱(chēng)，以傳感器測(cè)量為基礎(chǔ)。信息技術(shù)與物理教學(xué)深度融合，能夠精準(zhǔn)、快速、便捷地記錄和分析處理數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)可視化、即時(shí)化，更好地顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的變化過(guò)程，讓數(shù)據(jù)計(jì)算、圖像顯示更加快捷。“雙新”改革是在高中階段由國(guó)家主導(dǎo)的新課程和新教材教育改革，是一個(gè)系統(tǒng)化的改革舉措，主張教師和學(xué)生通過(guò)情境實(shí)踐和問(wèn)題探究學(xué)習(xí)。對(duì)于筆者所處的基礎(chǔ)薄弱校來(lái)說(shuō)，學(xué)生的科學(xué)探究能力有限，面對(duì)探究實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析和處理存在較大困難，數(shù)學(xué)計(jì)算、圖像處理能力都比較弱，一定程度上影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)熱情和深入思考分析。筆者嘗試使用DIS進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣得到了很大提高，對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考更加深入了，提出的問(wèn)題的角度也多了，很好地改善了實(shí)驗(yàn)探究的效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性也得到了提高。降低數(shù)據(jù)分析難度，提高實(shí)驗(yàn)探究興趣高中生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣大多數(shù)停留在新奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上，而對(duì)數(shù)據(jù)分析有畏難情緒。利用DIS實(shí)驗(yàn)，既能保護(hù)學(xué)生好奇心的星星之火，也能降低學(xué)生對(duì)枯燥的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析的畏難心理。以高二物理“電感器和電容器對(duì)交變電流的作用”為例。人教版（2019）新教材將這部分內(nèi)容變?yōu)榱诉x擇性必修二第三章“交變電流”第二節(jié)“交變電流的描述”一節(jié)的拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，課時(shí)變得更加緊張。學(xué)生提出交變電流在遇到電容器之后，其電流值有所改變，但是交變電流的周期是否受到影響呢？如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證呢？能否用電流傳感器觀察一下？根據(jù)學(xué)生的設(shè)想和問(wèn)題，課下筆者協(xié)助學(xué)生設(shè)計(jì)了如下DIS實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材：學(xué)生電源（交流2V）、電容器（1000μF、3300μF、470μF）、導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、電阻箱、朗威電流傳感器（頻率采樣1kHz）。實(shí)驗(yàn)電路：將交流電源與電容器、電阻箱和電流傳感器串聯(lián)起來(lái)即可。實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)：第一步，電阻箱選擇5Ω，電路中未接入電容器時(shí)，電流傳感器記錄到的正弦式交流電，電流峰值0.68A，周期為0.02s；第二步，電路中加入3300μF的電容器，交變電流峰值變?yōu)?.64A，周期保持0.02s不變；第三步，改為加入1000μF的電容器，交變電流峰值變?yōu)?.52A，周期保持0.02s不變；第四步，改為加入470μF的電容器，交變電流峰值變?yōu)?.39A，周期保持0.02s不變。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電容器對(duì)交變電流有阻礙作用，電容越小，阻礙作用越大，但是周期保持不變。完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生很有成就感，更加激發(fā)了他們?nèi)蘸笥龅絾?wèn)題不僅需要理論分析，而且需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究論證的熱情。整合教材引發(fā)質(zhì)疑，提高課堂探究實(shí)驗(yàn)效率教師在課堂上要?jiǎng)?chuàng)設(shè)有利于“質(zhì)疑”的情境和氛圍。質(zhì)疑不僅是一種能力，更是一種習(xí)慣，它是學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的前提，是提出問(wèn)題的基石[1]。如果想讓學(xué)生有質(zhì)疑，提出有質(zhì)量的、有價(jià)值的研究問(wèn)題，教師自身也需要有質(zhì)疑和自主探究的精神。教師如何引導(dǎo)學(xué)生在課本學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的研究問(wèn)題呢？首先就是研究教材。在教學(xué)設(shè)計(jì)中教師要敢于打破常規(guī)，整合教材內(nèi)容，用教材而不是教教材。“觀察電容器的充放電現(xiàn)象”是新課程標(biāo)準(zhǔn)增加的必修課程學(xué)生實(shí)驗(yàn)，在人教版普通高中教科書(shū)物理必修三第10章第4節(jié)“電容器的電容”中。教材上提供了實(shí)驗(yàn)電路圖，交代了實(shí)驗(yàn)器材，但對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的具體參數(shù)沒(méi)有交代。學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的時(shí)候還沒(méi)有學(xué)習(xí)恒定電流一章，學(xué)生對(duì)于電壓表是由小量程電流表改裝而成的知識(shí)并不了解。初中教學(xué)一再?gòu)?qiáng)調(diào)電壓表接在電路中等效于斷路，也讓學(xué)生對(duì)于電壓表內(nèi)阻無(wú)窮大的印象根深蒂固。然而這個(gè)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題恰恰就是電壓表不能視為理想電表，要考慮其內(nèi)阻。在以往的教學(xué)中，教師往往一帶而過(guò)，直接使用傳感器或者數(shù)字萬(wàn)用表替代傳統(tǒng)電壓表。這可以使得探究實(shí)驗(yàn)很順利地進(jìn)行下去，又能得到教材上描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。然而這也損失了一個(gè)讓學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑并進(jìn)行研究的機(jī)會(huì)。筆者將教材內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，把觀察電容器充放電的實(shí)驗(yàn)放到了恒定電流一章的最后。也就是做完了所有電學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，再做這個(gè)觀察電容器充放電的實(shí)驗(yàn)。希望學(xué)生能夠自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且能夠解釋出現(xiàn)的問(wèn)題。在課堂上，教師給學(xué)生提供教材上的實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)?，F(xiàn)有的電容器多數(shù)為幾千微法，電流表使用靈敏電流計(jì)，再提供電壓表、電阻箱（最大阻值9999.9歐姆）、2-4節(jié)干電池等，連接電路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按照實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生是無(wú)法達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。于是學(xué)生就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生如下疑點(diǎn)。質(zhì)疑點(diǎn)一：?jiǎn)蔚峨p擲開(kāi)關(guān)置于1，給電容器進(jìn)行充電，會(huì)觀察到靈敏電流計(jì)指針迅速偏到最大后又迅速減小，后來(lái)減小變慢，最后停在某一電流值。這個(gè)現(xiàn)象與教材給出的充電時(shí)充電電流逐漸減小至0出現(xiàn)沖突。質(zhì)疑點(diǎn)二：充電時(shí)電壓表由0逐漸增大，最終停在某一電壓值。若將單刀雙擲開(kāi)關(guān)空置，與電源斷開(kāi)，則可以看到電壓表示數(shù)逐漸減小到0，即電容器通過(guò)電壓表放電。而教材表述內(nèi)容為“即使斷開(kāi)電源，兩極板上的電荷由于相互吸引而仍然被保存在電容器中”，這在實(shí)驗(yàn)中也是沒(méi)看到的[2]。發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)之后，教師引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)過(guò)的知識(shí)解釋疑點(diǎn)，并且啟發(fā)學(xué)生思考能否突破這個(gè)疑點(diǎn)。這僅靠課上的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，讓學(xué)生自主探究需要給他們充分的時(shí)間。從收集資料、查看前人完成實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，到不斷更換儀器進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)嘗試。學(xué)生利用學(xué)校中午開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間進(jìn)行了討論和交流，最終得到了教材上的表述需要在一定參數(shù)條件下才能成立的結(jié)論。在此期間，學(xué)生的探究欲望很強(qiáng)，搜集資料、預(yù)約實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過(guò)程讓學(xué)生體會(huì)到了科學(xué)探究的樂(lè)趣。身邊的DIS實(shí)驗(yàn)，探究生活中的物理問(wèn)題利用智能手機(jī)中的phyphox應(yīng)用程序，日常的測(cè)量速度、加速度、磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度等，都可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究興趣。例如，高一上學(xué)期的自由落體運(yùn)動(dòng)，課上教師讓學(xué)生利用手機(jī)測(cè)量了自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度。高一下學(xué)期的超重和失重現(xiàn)象，課上利用手機(jī)記錄下蹲和起立過(guò)程中的F-t圖像，分析超重和失重狀態(tài)。有了課堂上的引導(dǎo)，令人欣慰的是學(xué)生去滑雪時(shí)，他們自發(fā)地用手機(jī)測(cè)量乘坐纜車(chē)和從滑道上滑下時(shí)的加速度，坐地鐵公交也拿出手機(jī)測(cè)量加速和減速時(shí)的加速度，并和