利用DIS系統和數字傳感器有效突破教學難點

蘇達青

初中階段，物理是基礎學科的重要組成部分。物理學科以實驗為基礎，很多物理規律及概念都是在大量實驗中建立起來的。然而，受傳統應試思維的桎梏，初中物理教學長期呈現出“重理論，輕實踐”的問題，教師往往將實驗結果和物理規律直接呈現給學生。初中生正處于物理學習的初級階段，這也是培養學生物理思維的“黃金期”，然而傳統的教學方法讓學生“死記硬背”，導致學生“只知其然，卻不知其所以然”，為學生未來的物理學習帶來阻礙。隨著時代的發展與信息技術的進步，新課程改革要求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，DIS作為滿足這一要求的教學實驗系統，在教學實踐中得到了廣泛關注。

DIS實驗是數字化信息系統實驗的簡稱，DisLab系統是傳感技術、計算機技術與真實實驗的巧妙結合，以真實實驗為基礎，利用數字傳感器代替傳統的儀表，并實現了實驗數據的采集，最終交給計算機進行處理。DIS系統與數字傳感器的應用能夠大大提高實驗效率與精準度，更可以讓學生在完成實驗后有更多時間去分析、思考與探究。因此，DIS系統與數字傳感器的應用是初中物理教學發展的一次有力“變革”?；诖?，本文立足于新課標視域，以“利用DIS系統和數字傳感器突破初中物理教學難點”為主題，詳細論述了其具體的意義和實踐路徑，并以初中物理“牛頓第一定律”的教學為例探究實踐案例，以期為廣大一線教育教學者提供參考經驗。

一、利用DIS系統和數字傳感器突破初中物理教學難點的意義

（一）有利于提高教學質量

在新課程改革的背景下，“以人為本”教育理念在實踐中貫徹落實，作為教育教學者，深知增強學生課堂體驗，實現“知行合一”的重要性。尤其是在物理學科的教學活動中，讓學生體驗完整的學習過程、感受知識生成過程，往往比照本宣科的“灌輸式”教學更有效，不僅學生理解和記憶的程度更深，而且能夠推動學生綜合能力與實踐能力雙重提高。然而，在傳統的教學活動中，尤其是在物理實驗中，學生往往需要對各種物理量進行自行測量、讀取、記錄與計算，雖然給了學生很多實踐機會，但是實驗結果往往會因為各種誤差而難以理想化。不僅如此，實驗時間有限，很多教師會讓學生在測量出具體的數據后在課下計算、分析與總結，導致學生沒有太多時間對實驗中存在的問題進行反思，數據分析脫離了教師的及時指導，阻礙了課堂教學效率的提高，而DIS系統則能夠在很大程度上改變這一現狀。

首先，DIS系統以傳感器作為主要載體，對各種物理量進行測量，具有速度快、準確度高、輸出信號便于傳輸、轉換、顯示、處理等諸多優點。其次，DIS系統能夠動態、實時地測量各種物理量，并快速轉換成電信號輸入數據采集器，這種操作成果完全是傳統的彈簧測力計、溫度計、電壓表無法比擬的。再次，在數據分析環節，DIS系統能夠及時將記錄的數據通過設置好的公式快速運算得到結果，并根據教學要求繪制出相應的圖表，讓學生更直觀明了地感受到物理量之間的關系，加深對實驗結果的理解與認識。最后，DIS系統還可以解決很多傳統實驗無法探究的問題。例如，在“探究二力平衡條件”的實驗中，傳統的實驗器材無法保證物體處于勻速直線運動狀態下，而DIS系統則可以用輸出功率穩定的電機提供恒力，讓物體處于勻速直線運動狀態，并借助力傳感器獲取大量的實時數據進行探究?？梢哉f，DIS系統的應用真正做到了“變不行為可行，變定性為定量”的重要突破。

（二）符合學生的認知

初中階段的學生大多是從八年級開始學習物理的，根據皮亞杰的認知發生論，這一階段的學生在思維發展上正由直觀思維向邏輯思維轉變，抽象邏輯思維向“理論型”轉化，因此在這一階段的學習活動中，教師要提供具體的事物與經驗來支撐學生的思考。物理學科本身就存在較強的抽象性，因此很多學生會在學習活動中倍感艱難，而DIS系統與傳統教學的融合能夠順應學生的認知發展水平，讓物理學習更簡單、具體。

以“音調”這一教學內容為例，在教學活動中，教師就可以利用聲傳感器，讓男生、女生面向傳感器發聲，而DIS系統所反饋出來的波形圖可以證明不同人的音調是不同的。同樣，教師還可以讓同一個學生對著聲傳感器分別進行聲音大與聲音小的兩次發聲，讓學生通過對不同聲波波形的觀察深入理解“聲音三要素”中音量大小相關知識。這類演示實驗操作簡單，形象直觀地描述了物理現象，更容易被學生理解接納、消化吸收。

二、利用DIS系統突破物理教學難點的實踐原則

（一）合適性原則

DIS系統所覆蓋的實驗范圍較廣，且在不同實驗中的表現有所不同，需要教師從實驗要求出發，結合實驗的具體特點，對DIS系統的應用進行科學規劃、設計與整合，以提高教學效率作為主要目標。然而，隨著DIS系統的推廣，不少教師在教學中存在著“為了應用而應用”的情況，導致DIS系統的應用并未發揮突出的作用。如果傳統實驗已經能夠直觀具體地展示物理實驗現象，數據收集、整理與分析的精確度較高，且傳統實驗本身就具有一定的巧妙性，所花時間與精力較少，那么再引入DIS系統就多此一舉了。

以“串聯電路中電壓規律”的實驗裝置為例，有的教師會將實驗中的電壓表換成電壓傳感器，這樣的實驗設計意義就不是很大，而且增加了計算機、數據采集器等多個額外裝置，將原本簡單的讀取數據環節轉移到電腦屏幕上，反而讓簡單直觀的實驗復雜化了。不僅如此，學生學會如何使用電壓表、如何對電壓表進行讀數也是必要的，DIS系統的引入反而弱化了這方面能力的訓練?；诖?，在實驗設計與改良中，教師要始終遵守合適性原則，避免為了應用DIS系統而應用，要讓DIS系統的應用真正解決教學難點，實現教學效率與成果的雙重提高。

（二）趣味性原則

興趣是最好的老師，也是學生開展學習活動的內在驅動力。物理實驗過程有趣，學生參與度高，備受學生喜愛。因此，在DIS系統的應用過程中，教師要遵循趣味性原則，避免讓實驗過程出現程式化的現象，以及“重結果、輕過程”的傾向。首先，趣味性原則要求教師深入挖掘物理教學內容的趣味性，讓學生感受到實驗本身的吸引力，從而點燃參與熱情。以“阿基米德原理的演示實驗”為例，教師可以先引導學生猜測兩千年前國王如何確定自己純金王冠的體積，并將實驗過程中的排水物替換成小型王冠。這樣的教學設計不僅激發了學生的好奇心，還能夠重現阿基米德鑒定純金王冠的故事，讓學生對物理發展史有所了解。其次，趣味性原則要求教師在實驗設計中為學生留出探究的空間，這就需要教師在教學實踐中發揮DIS系統的拓展性作用，讓學生的實驗設計擁有自由寬廣的設計空間。同時，在實驗設計中，教師要注重“留白”，讓學生在實驗過程中多一些自主性，探索教材之外物理知識應用的更多可能性。

三、基于DIS系統和數字傳感器突破伽利略理想實驗教學難點的實踐路徑

（一）提出問題

在滬教版初中物理教材八年級《力與運動》教學中，學生學到了“牛頓第一定律”的具體內容，其中通過“伽利略理想實驗”，學生知道了當水平面絕對光滑時，小車將進行勻速直線運動，對“牛頓第一定律”有了更深入的認識。但是，在傳統的實驗設計中，由于無法展示出水平面絕對光滑時小車的運動狀態，因此，這一結論是通過極限思想推論而出的，并沒有數據化的形象呈現。不僅如此，在實驗過程中，小車在水平面運動的距離、小車進入水平面的初速度、小車經過固定點的速度以及小車經過兩點間的速度變化等多種數據都要依靠人為記錄與測算，難免會存在誤差，而這些問題又容易干擾學生對實驗結果的理解，造成課堂教學效率低下。那么，作為教育教學者，該如何解決這一問題，提高教學質量與成果呢？筆者便巧妙地引入了DIS系統與傳感器，對教材上的實驗進行了一定程度上的優化，讓數據記錄更準確、數據計算更迅速，也讓學生的實驗觀察更直觀，巧妙地規避了實驗方案中的不足之處。

（二）實驗目的

1.知識與技能：知道物體的運動不需要力來維持，理解力和運動的關系；知道牛頓第一定律是邏輯的推理結果，不受力的物體是不存在的，理解牛頓第一定律；通過實驗培養學生分析問題的能力，要能透過現象了解事物的本質，不能不加研究而只憑經驗，對物理問題不能主觀臆斷；正確認識力和運動的關系。

2.過程與方法：通過實驗引導學生自主發現問題、設置問題、探究問題。

3.情感態度價值觀：在探究過程中，學生可以體會到推理、總結、歸納思想的具體應用，形成善于思考、敢于動手、勤于探究的習慣。

（三）實驗器材

DIS系統、位移傳感器、計算機、斜面、毛巾、棉布、木板、小車等。

（四）實驗步驟

1.在小車上安裝位移發射器，在水平面遠端安裝位移接收器，并將位移收集器通過數據線連接到采集器上，讓采集器與計算機相連。

2.將毛巾鋪在水平面上，將小車放在斜面上的某一位置。

3.小車由靜止開始釋放，位移傳感器記錄小車在水平面運動的距離s，通過位移采集器記錄小車在水平面上運動的信息，觀察計算機自動生成的v-t圖，并直接得出小車進入水平面的初速度v1和經過另一固定點的速度v2，由計算機測算出小車經過兩點的速度Δv。

4.將毛巾更換為棉布，將同一輛小車放置在斜面的同一位置，重復上述步驟，通過DIS系統采集上述數據。

5.將棉布更換為木板，將同一輛小車放置在斜面的同一位置，重復上述步驟，通過DIS系統采集上述數據。

6.計算機將記錄數據導入Excel表格，如表1所示。

（五）實驗結論

在其他條件相同時，平面越光滑，小車受到的摩擦力越小，速度變化越小，小車前進的距離就越遠。

（六）設計意圖

利用DIS系統及傳感器將小車達到水平面以及固定點的速度準確地測量出來，將小車速度可視化，可以直觀觀察到小車經過這兩點的速度變化，幫助學生更好地理解速度的變化。在實驗中，“將同一高度同一小車靜止滑下，能使小車到達水平面的速度相同”這一點通過觀察速度的數值直觀體現，加深學生對實驗操作的理解。

（七）實驗的不足與思考

1.實驗中使用了不同的水平接觸面，因此為了盡可能減小誤差，教師要保證斜面與水平面盡可能相契合。

2.在實驗操作中，條件與時間依然受到一定程度的限制，在本次實驗操作中，僅利用毛巾、棉布與木板作為接觸面，但是為了提高實驗的科學性與嚴謹性，應該選擇至少5種不同粗糙程度的接觸面，如大理石、磨砂玻璃等，以提高實驗的完善程度。

四、結語

綜上所述，隨著信息技術的不斷發展與新課程改革的持續推進，將DIS系統與初中物理教學相融合已然成為教育教學發展的必然趨勢。DIS系統巧妙地解決了當前物理教學中的諸多問題，很大程度上提高了教學質量，順應初中階段學生的認知發展水平，極大降低了物理學習難度，為學生未來的物理學習奠定了堅實的基礎。在DIS系統融入物理教學的過程中，首先，教師要遵循合適性原則，避免DIS系統濫用、誤用，將提高教學效率作為教學設計的基本目標。其次，教師要遵循趣味性原則，讓學生感受到物理學習的樂趣所在，并且為學生的學習活動留下廣闊的自主探索空間。本文以滬教版八年級物理“牛頓第一定律”中“伽利略理想實驗”的教學活動為例，運用DIS系統與傳感器解決了傳統教學中存在的主要問題，引發學生對這一實驗更深入的思考，為后續對“牛頓第一定律”的深入探究打下了良好的基礎。

注：本文系福建省教育科學“十四五”規劃2022年度“協同創新（含幫扶項目）”專項課題“新課程標準視域下初中物理dis資源的開發和應用”（課題立項批準號：Fjxczx 22-247）的研究成果。

（宋行軍）