核心素養背景下的DIS實驗教學

陳果

摘要：在傳統教學模式下，由于條件和科技水平的限制，很多物理實驗無法進行驗證，而依靠中學生數學能力又沒有辦法用理論推導，這給中學物理課堂帶來了極大的困擾。近些年涌現的DIS（digital information system）可以說是對傳統物理課堂的有益補充。DIS是實驗室數字化信息系統的簡稱，實驗室數字化信息系統作為一種現代化教學手段在新課程改革中被廣大一線教師高度重視，在教學實踐中也取得了意想不到的效果。

關鍵詞：新課程標準 科學思維 實驗教學

2017年新課程標準頒布之后，中學教育教學目標由三維目標向核心素養轉變，高中物理教學應注重從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面提煉物理學科育人價值。其中教學基礎是物理觀念的教學，科學探究是過程，科學思維、科學責任和態度是教學要達到的最終目標。因此，教學中既要關注必備知識傳授的本身，同時教師必須提升教學設計的站位，從傳統傳授知識到提高學生能力，培養適應社會需求的建設者和接班人，以立德樹人為目標，教學中要從關注孤立知識點和教學內容轉變為大單元教學設計。在這樣的思想指導下，就能充分改變學科知識點的片段教學現狀，實現發展能力與素養的教學目的。

一、實驗在教學實踐中的地位應予以突出

物理學科要想實現新課標的育人目的，物理實驗是一個必不可少的途徑與抓手，所以物理實驗在物理學科教學中的作用應得到高度重視。物理概念的建立、物理規律的歸納都要求學生合作探究。物理實驗是在一定猜想基礎上，有目的地使用實驗器材，在實驗目標導向下，讓一定現象再現的過程，是和猜想比對論證從而獲得實驗結論的過程。新版課程標準中新增了許多實驗要求。比如向心力教學中，以前的教學思路是從運動學入手，通過理論推導建立勻速圓周運動模型，得出向心力公式。新課程標準把向心力大小表達式作為必考實驗之一，目的就是從實驗探究角度強化學生動手探究能力，提升學生思維品質，先猜想向心力大小可能的影響因素，在控制變量法的指導思想下，分別探究向心力與m、ω、r的關系，最后利用牛頓第二定律推導向心加速度表達式。這樣的教學設計流程更符合課標精神要求和學生認知規律，同時也提醒我們在做教學設計時，多從實驗探究入手，包括我們常規認為的一些無法操作的實驗，也要在新技術和新方法的前提下逐步拓展出新的教學途徑。

二、DIS實驗的作用

在傳統教學模式下，由于條件和科技水平的限制，很多物理實驗無法進行驗證，由于中學生數學能力的限制又沒有辦法用理論推導，這給中學物理課堂帶來了極大的困擾。近些年涌現的DIS實驗可以說是對傳統物理課堂的有益補充。

DIS（digital infomation system）是實驗室數字化信息系統實驗的簡稱，實驗室數字化信息系統作為一種現代化教學手段在新課程改革中被廣大一線教師高度重視，在教學實踐中也取得了意想不到的效果。數字化信息系統實驗設備核心是傳感器、數據采集器。傳感器類型很多，包括電流、微電流、電壓、位移、力、磁場等，基本可以滿足中學物理實驗的要求。

筆者在新人教版必修三第十章第四節電容器的電容一節教學中使用DIS實驗教學，取得了很好的效果。電容器作為一個儲能的電子元件，主要作用就是充電和放電，傳統教學設計淡化了這一過程的教學處理。教學實踐中由于條件限制、現象不明顯和操作麻煩，很少有老師做充放電實驗，一般采用講授法的教學方式，直接告訴學生電容器具有這樣的功能，在和電源相連的時候電容器充電，電容器極板短接時電容器放電，具體放電時間長短、電流大小、電容器兩端電壓變化規律一般不涉及。因為這一過程本身就是非常抽象、脫離生活感受的過程，所以學生理解起來非常困難。電容器充放電的過程非常短暫，一般為0.1～0.2 s，電流大小在幾十毫安，要想顯示這樣短暫的小電流可以用靈敏電流表，也可以用發光二極管。如圖1和圖2所示，發光二極管閃爍說明電路中有短暫的充放電電流的存在。

上述實驗的優點是可以直觀觀察充放電電流的存在，卻無法具體觀測電壓、電流的大小以及電壓、電流的變化規律，而數字化信息系統實驗可以彌補傳統實驗的不足。

設計如圖3這樣的電路，在這里用毫安級電流傳感器代替發光二極管，并且可以在電容器兩端并聯電壓傳感器來測量電容器兩端電壓。將兩個傳感器和電腦相連，再使用單刀雙擲開關切換電容器先和電源相連，后用一定值電阻短接對電容器充放電后，電腦上顯示電容器充放電過程中電路中電流和電容器兩端電壓的變化。實驗中發現如果放電不使用電阻，直接導線短接電流變化更加短暫，不宜觀察。

圖4與圖5展示電容器充放電過程中電壓與電流的變化圖像。

通過圖4可以看到，在直流4 V電壓下，充電時電容器兩端電壓逐漸增加，大小增加到電源電壓后保持不變，放電時電壓逐漸由電源電壓下降到0；如圖5所示，充電時電流很快上升到最大值再慢慢下降到0，放電時電流很快上升到反向電流最大值，再慢慢下降為0。這個實驗的優點是既可以定量地看到充放電電流和電容器兩端電壓大小，還可以看到它們的變化過程。這就實現了新課程標準中物理學科素養下科學探究的目的：①通過實驗認識電容器充放電過程；②培養學生利用傳感器和計算機技術分析實驗數據的基本科學素養。

在傳統教學過程中，對電容課本用了類比水容器存儲水的本領大小，形象地把電容比喻成水容器的橫截面積。但是學生并不知道為什么不同電壓下不同電容器帶電量是不一樣的。這個教學瓶頸也可以用DIS實驗進行破解，用兩個不同的電容器在相同電壓（比如4 V）下進行充電，得到如圖6所示的電流變化圖像。

可以看到，左邊電容器的充電時間和峰值電流都比右邊的大。我們知道電流—時間圖像面積等于通電的電荷量大小，由此可以明顯得出兩個電容器存儲的電荷量的多少是不一樣的，這彌補了傳統課堂的不足，也完全符合新課程標準下科學思維的培養要求。為了避免實驗的偶然性，可以進一步做在2 V、6 V、8 V等電壓下二者充電時電流—時間圖像的對比，進一步加強學生對電容的理解，同時培養學生嚴謹的科學思維。

根據電容的定義變形式可以知道，如果是同一個電容器在不同電壓下，充電時電荷量與電壓成正比例關系，實驗驗證得到如圖7所示的電壓變化圖像。這個實驗即是前面所學公式的應用，也是對電壓、電容和電荷量三者關系的進一步解釋。

三、DIS實驗的不足

DIS實驗有優勢，也有不足之處，比如人教版必修一第4章第2節“探究加速度與力、質量關系”實驗中，一般利用圖8所示裝置。為了簡化小車所受的合外力，把木板一端墊起以平衡摩擦力，如圖9所示，這樣小車所受繩子拉力就等于小車的合外力。

測量小車拉力是實驗的一個難點，要想誤差較小地測量小車的拉力，就需要對前面很多知識點進行綜合應用。首先是小車拉力和鉤碼重力的關系，假設小車質量為M，鉤碼質量為m，繩子拉力F=MmgM+m，只有當mM時，拉力才能約等于鉤碼重力。因為公式推導是以學習牛頓第二定律為前提的，所以在本實驗中沒辦法討論，但是學生在學習牛頓第二定律之后再重新評價實驗，卻是加深對牛頓第二定律理解的很好的途徑。其次是處理繩子拉力和合外力關系，用重力的下滑分力平衡摩擦力也是對前面力的分解知識的應用。最后，通過打點計時器在紙帶上打出的點跡的測量與數據分析得到小車瞬時速度，是對測量和速度公式的理解和應用。以上幾個方面很好地綜合前面所學的知識點，既是對已知知識的理解和應用，又是通過自主探究獲得新知的過程，對培養學生的動手能力和思維能力都很有幫助。同時，如果實驗數據誤差比較大，還需要啟發學生進行合理的誤差分析，找出出現誤差的原因，并對實驗的方案進行改進，比如有的學生就用“倍增法”簡化探究過程，讓小車拉力或者小車質量倍增，測量加速度的變化。這個實驗如果用DIS實驗就會讓探究過程空洞，因為繩子拉力可以用拉力傳感器精確測量，小車的加速度也可以用位移傳感器結合計算機精確測量，無論是設計過程還是數據處理都失去了學生探究和鍛煉的價值，所以這樣的實驗還是傳統實驗更有優勢。傳統實驗的優點：培養學生邏輯思維能力、數據處理能力和實驗誤差分析能力。

四、優勢互補，提升課堂效率

綜上，DIS實驗只能作為課堂的有益補充，而不能完全取代傳統課堂實驗，只有充分結合二者的優點，取長補短、相互結合，才符合新課程標準中培養學生物理學科核心素養的目標。教學實踐中要充分發揮學生主觀能動性，多設計能開發學生探究能力的實驗，盡量利用身邊器材簡化設計思想做一些小實驗，可以取得意想不到的效果。部分傳統方案無法完成的實驗，要充分發揮傳感器的優點，完成教學突破，提高學生的學習積極性和對物理學科的興趣。在當前物理教學大單元視角的背景下，綜合運用一切教育資源，培養學生的科學探究能力，培養實事求是的科學態度，培養學生的可持續發展能力而不是做題能力，是我們在高中物理教學中要追求的最終目標。

參考文獻：

[1]杜曉賀，倪敏，郭強友，等.基于核心素養的物理實驗教學——以DIS簡單邏輯電路實驗為例[J].物理實驗教學，2019（11）：8588.

[2]肖曉萍.體驗性探究——新課程的價值追求為[J].中學物理教學參考，2020（2）：3233.

責任編輯：黃大燦