初中物理DIS数字化实验教学的实践与思考
2022-06-08
初中物理是一门以实验为基础的科学，需要初步建立物质结构、力与能量等观点.按照“从生活到物理，从物理到社会”的新课程理念，初中物理应注重培养学生的应用和思考能力，让学生可以在熟悉、亲切和愉悦的环境下学习.初中物理DIS数字化实验教学则是建立在由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件和与之配套的相应的实验仪器、实验技术、实验方法基础上的数字化实验开展初中物理教学.我校于2012年暑期配备了初中物理标准数字化实验室，为初中物理数字化实验教学的系统研究提供了技术平台保障.笔者结合《初中物理课程标准（2011）》及苏科版初中物理八、九年级教材，经过一线的实践进行了初步的研究与思考.
1DIS数字化实验对初中物理教学的促进作用
1.1利用DIS数字化实验化解实验操作难点
传统实验培养学生的动手能力，对实验仪器使用的规范，关注学生处理实验数据的能力和观察能力等，但学生在“观察水的沸腾”、“探究冰熔化和凝固”、“探究不同物质的吸热升温现象”等实验时，需要要求学生把铁架台、石棉网、酒精灯、烧杯、温度计等器材按要求装配起来，还要在加热的同时进行搅拌，定时读出温度计示数，然后根据数据描点作图，通过图像分析得出结论，整个实验过程太复杂，对初中生而言难度太大，而且偶然因素多，实验误差大，得不到正确的图像，在一节课的有限时间里可操作性不强，往往会冲淡教学重点，达不到应有的教学目标.由于DIS数字化实验室采用了“传感器+数据采集器+计算机”的体系结构，使得其具备了“实时实验”的功能，即可以对实验的过程进行实时的跟踪与数据的采集，同时还完成了数据处理.这就将教师与学生从以前那种数据读取、记录、运算以及图线描绘等繁琐的劳动中解放出来，为学生的自主探究、小组协作与充分的体验提供了足够的时间和空间.
案例1DIS探究不同物质的吸热升温现象
利用温度传感器代替温度计进行测量，可以达到的效果：（1）实时直观的图像展示了水和沙子温度随时间变化的情况，通过投影屏幕展示，可视性强;（2）因为这节课的重点并不在于培养学生读数和描点作图的能力，使用传感器后可以大大省去学生读数的环节和描点作图的环节，缩短实验的时间，也能避免由于读数错误或描点错误造成的实验失误.
实验器材：温度传感器和数据采集器、数字化信息系统软件、200 g的水和煤油、电炉.
收集数据展示：利用TriE iLab V8.0数字化信息系统软件可以展示水和沙子的温度的实时数据，也能同步绘出水和煤油温度随时间变化的图像，如图1所示.
1.2利用DIS数字化实验增强实验可视性
使用DIS数字化实验室，计算机在采集、计算、分析实验数据后会按照实验者要求自动绘制函数图像，使得实验结果以图像方式直观地呈现出来，可以极大地扩展实验的可视性和可重复性.例如，利用声音传感器可以采集声音振动图像，从视觉上可以直观地比较振动频率和振幅;利用磁场传感器可以直接探测磁体周围磁场的强弱;利用力传感器可以描绘力随时间变化的图像，在比较一对相互作用力大小时，学生看到完全对称的两个力的图形时是多么激动，印象深刻.
案例2DIS探究影响滑动摩擦力的因素（图2）
用传统实验探究影响滑动摩擦力的因素时，学生在水平面上拉动木块时很难保证木块作匀速直线运动，而且在弹簧测力计运动过程中读数也很困难，可视性很差，当研究滑动摩擦力与物体运动速度是否有关时，需要用不同的速度匀速拉动木块，更给实验增加了难度，也难以得到正确的实验结论.而采用教师演示的方式，除了实验者能看到，其他学生的可视性也很差.而借助DIS数字化实验可以很好地解决这个问题：（1）用力传感器代替弹簧测力计，利用配套软件把力的大小变化实时在计算机中以图像的形式表现出来（图3）;（2）利用电动机代替人工拉动物体做匀速直线运动，使得实验过程更加严谨，避免人为造成的错误;（3）从图像中不仅可以分析出影响滑动摩擦力大小的因素，而且还可以反映出静摩擦力的大小变化，对学生深入理解摩擦力的知识起到了很好的辅助作用.
1.3利用DIS数字化实验拓展思维，激发探索热情
数字化实验室凭借传感器技术弥补了传统实验中的多个空白，解决了物理实验中精确采集数据的难题，同时系统辅以相对完善的软件系统，可以进行很多利用传统实验装置想做而又做不到的实验.例如，利用两个声音传感器可以在实验室里测出声速;利用位移传感器、光电门可以完美地展现出电动机拉动下的小车匀速直线运动的位移-时间图线和速度-时间图线;利用压强传感器可以研究一定质量的气体压强与体积的关系等;利用电流传感器和电压传感器可以展示定制电阻和小灯泡的伏安特性图线.这些课本上涉及到的，但传统实验器材无能为力的实验，数字化实验室的先进科技手段为学生打开了一扇窗，使他们看到了更加有趣、更加新奇、更加需要去探索的物理世界，同时也感受到科技进步所带来的震撼.
案例3DIS测量声波在空气中的传播速度（图4）
2DIS数字化实验教学的现状思考
DIS数字化实验是教育技术发展的最新成果，从根本上改变了以前几十年不变的实验教学模式，为教学改革的创新提供了舞台，促进常规教学的创新、传统的实验改进和科学探究的深入，也是时代发展的需要.但是，初中阶段的DIS数字化实验教学的开展还存在不少困难和局限.
2.1初中学生的认知层次和动手操作能力的局限性
数字化实验室采用了“传感器+数据采集器+计算机”的体系结构，在数字化实验室的软件系统中提供了曲线拟合功能.计算机在采集、计算、分析实验数据后会按照实验者的要求自动绘制函数图像，使得实验结果以图像方式直观地呈现出来.初中学生是初二刚接触物理学习，观察图像、分析图像及根据图像得出结论的认知水平还不具备，只有在 “观察水的沸腾”等实验时才对图像初步接触，然后随着学习知识的加深对图像的认知才逐步深入，所以数字化实验教学的开展是不能一蹴而就的，必须根据学生的认知水平发展进行展开.
同时，数字化实验室应配备相应的实验器材，有些实验器材的安装比较复杂，比如探究小车运动、探究滑动摩擦力的大小等，超出了初中生课堂动手能力的要求.
2.2受数字化实验室的软件系统的局限性
数字化实验室都有相配套的软件系统，开发公司会根据教学需要事先做成一部分常用实验模版供师生使用.但在实际教学中这些现成的实验模版往往不能满足教学需求，这就需要教师自己进行创建，而创建新模版要求教师具有较高的计算机操作能力、公式编辑能力、函数处理能力以及对配套软件的使用经验，这也给数字化实验教学的开展带来不便.
2.3受数字化实验室教学开发现状的局限
目前，基础教育中的高中阶段数字化实验的开发已经历多年且成果显著，但初中的数字化实验教学才刚刚起步.因此，大部分的教学软件及实验器材还是基于高中的教学要求和高中生的学习能力进行配套，大多数不适合初中教学，造成很大的资源浪费，真正能用到初中一线课堂的少之又少.开发公司的技术人员基本没有初中一线的教学经历，开发的实验不足，经常不能满足初中的教学要求，初中教师也为不能把数字化实验充分运用到课堂为学生服务感到苦恼.
所以，要能在初中把数字化实验教学进行到底，就需要我们进行认真的实践与思索，积极参与初中数字化教学的研究.
1DIS数字化实验对初中物理教学的促进作用
1.1利用DIS数字化实验化解实验操作难点
传统实验培养学生的动手能力，对实验仪器使用的规范，关注学生处理实验数据的能力和观察能力等，但学生在“观察水的沸腾”、“探究冰熔化和凝固”、“探究不同物质的吸热升温现象”等实验时，需要要求学生把铁架台、石棉网、酒精灯、烧杯、温度计等器材按要求装配起来，还要在加热的同时进行搅拌，定时读出温度计示数，然后根据数据描点作图，通过图像分析得出结论，整个实验过程太复杂，对初中生而言难度太大，而且偶然因素多，实验误差大，得不到正确的图像，在一节课的有限时间里可操作性不强，往往会冲淡教学重点，达不到应有的教学目标.由于DIS数字化实验室采用了“传感器+数据采集器+计算机”的体系结构，使得其具备了“实时实验”的功能，即可以对实验的过程进行实时的跟踪与数据的采集，同时还完成了数据处理.这就将教师与学生从以前那种数据读取、记录、运算以及图线描绘等繁琐的劳动中解放出来，为学生的自主探究、小组协作与充分的体验提供了足够的时间和空间.
案例1DIS探究不同物质的吸热升温现象
利用温度传感器代替温度计进行测量，可以达到的效果：（1）实时直观的图像展示了水和沙子温度随时间变化的情况，通过投影屏幕展示，可视性强;（2）因为这节课的重点并不在于培养学生读数和描点作图的能力，使用传感器后可以大大省去学生读数的环节和描点作图的环节，缩短实验的时间，也能避免由于读数错误或描点错误造成的实验失误.
实验器材：温度传感器和数据采集器、数字化信息系统软件、200 g的水和煤油、电炉.
收集数据展示：利用TriE iLab V8.0数字化信息系统软件可以展示水和沙子的温度的实时数据，也能同步绘出水和煤油温度随时间变化的图像，如图1所示.
1.2利用DIS数字化实验增强实验可视性
使用DIS数字化实验室，计算机在采集、计算、分析实验数据后会按照实验者要求自动绘制函数图像，使得实验结果以图像方式直观地呈现出来，可以极大地扩展实验的可视性和可重复性.例如，利用声音传感器可以采集声音振动图像，从视觉上可以直观地比较振动频率和振幅;利用磁场传感器可以直接探测磁体周围磁场的强弱;利用力传感器可以描绘力随时间变化的图像，在比较一对相互作用力大小时，学生看到完全对称的两个力的图形时是多么激动，印象深刻.
案例2DIS探究影响滑动摩擦力的因素（图2）
用传统实验探究影响滑动摩擦力的因素时，学生在水平面上拉动木块时很难保证木块作匀速直线运动，而且在弹簧测力计运动过程中读数也很困难，可视性很差，当研究滑动摩擦力与物体运动速度是否有关时，需要用不同的速度匀速拉动木块，更给实验增加了难度，也难以得到正确的实验结论.而采用教师演示的方式，除了实验者能看到，其他学生的可视性也很差.而借助DIS数字化实验可以很好地解决这个问题：（1）用力传感器代替弹簧测力计，利用配套软件把力的大小变化实时在计算机中以图像的形式表现出来（图3）;（2）利用电动机代替人工拉动物体做匀速直线运动，使得实验过程更加严谨，避免人为造成的错误;（3）从图像中不仅可以分析出影响滑动摩擦力大小的因素，而且还可以反映出静摩擦力的大小变化，对学生深入理解摩擦力的知识起到了很好的辅助作用.
1.3利用DIS数字化实验拓展思维，激发探索热情
数字化实验室凭借传感器技术弥补了传统实验中的多个空白，解决了物理实验中精确采集数据的难题，同时系统辅以相对完善的软件系统，可以进行很多利用传统实验装置想做而又做不到的实验.例如，利用两个声音传感器可以在实验室里测出声速;利用位移传感器、光电门可以完美地展现出电动机拉动下的小车匀速直线运动的位移-时间图线和速度-时间图线;利用压强传感器可以研究一定质量的气体压强与体积的关系等;利用电流传感器和电压传感器可以展示定制电阻和小灯泡的伏安特性图线.这些课本上涉及到的，但传统实验器材无能为力的实验，数字化实验室的先进科技手段为学生打开了一扇窗，使他们看到了更加有趣、更加新奇、更加需要去探索的物理世界，同时也感受到科技进步所带来的震撼.
案例3DIS测量声波在空气中的传播速度（图4）
2DIS数字化实验教学的现状思考
DIS数字化实验是教育技术发展的最新成果，从根本上改变了以前几十年不变的实验教学模式，为教学改革的创新提供了舞台，促进常规教学的创新、传统的实验改进和科学探究的深入，也是时代发展的需要.但是，初中阶段的DIS数字化实验教学的开展还存在不少困难和局限.
2.1初中学生的认知层次和动手操作能力的局限性
数字化实验室采用了“传感器+数据采集器+计算机”的体系结构，在数字化实验室的软件系统中提供了曲线拟合功能.计算机在采集、计算、分析实验数据后会按照实验者的要求自动绘制函数图像，使得实验结果以图像方式直观地呈现出来.初中学生是初二刚接触物理学习，观察图像、分析图像及根据图像得出结论的认知水平还不具备，只有在 “观察水的沸腾”等实验时才对图像初步接触，然后随着学习知识的加深对图像的认知才逐步深入，所以数字化实验教学的开展是不能一蹴而就的，必须根据学生的认知水平发展进行展开.
同时，数字化实验室应配备相应的实验器材，有些实验器材的安装比较复杂，比如探究小车运动、探究滑动摩擦力的大小等，超出了初中生课堂动手能力的要求.
2.2受数字化实验室的软件系统的局限性
数字化实验室都有相配套的软件系统，开发公司会根据教学需要事先做成一部分常用实验模版供师生使用.但在实际教学中这些现成的实验模版往往不能满足教学需求，这就需要教师自己进行创建，而创建新模版要求教师具有较高的计算机操作能力、公式编辑能力、函数处理能力以及对配套软件的使用经验，这也给数字化实验教学的开展带来不便.
2.3受数字化实验室教学开发现状的局限
目前，基础教育中的高中阶段数字化实验的开发已经历多年且成果显著，但初中的数字化实验教学才刚刚起步.因此，大部分的教学软件及实验器材还是基于高中的教学要求和高中生的学习能力进行配套，大多数不适合初中教学，造成很大的资源浪费，真正能用到初中一线课堂的少之又少.开发公司的技术人员基本没有初中一线的教学经历，开发的实验不足，经常不能满足初中的教学要求，初中教师也为不能把数字化实验充分运用到课堂为学生服务感到苦恼.
所以，要能在初中把数字化实验教学进行到底，就需要我们进行认真的实践与思索，积极参与初中数字化教学的研究.