“DISLab数字化信息系统”在物理实验中的应用——“探究加速度与力、质量的关系”的教学设计与赏析，本文主要内容关键词为：加速度论文,信息系统论文,教学设计论文,物理实验论文,关系论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着计算机、传感器等现代数字化实验设备的不断应用，无论从教学内容上还是从教学手段、时间上都使高中物理课堂教学发生了深刻的变革。那么，如何应用数字化实验，充分挖掘其教学功能，增强物理实验教学的魅力？下面选取“探究加速度与力、质量的关系”的教学片断作一些评析及其思考。
一、课堂片断呈现
（1）问题猜想引入
教师：用多媒体出示以下问题：
①如图1所示，质量为m的物体A沿斜面加速向下运动，当θ增大时，其加速度如何变化？②图1中，物体A在下滑过程中受哪些力作用？当θ增大时，其合外力如何变化？③猜想：物体下滑时的加速度与所受的合外力有何关系？
评析：创设有利于学习者建构意义的问题是教学设计的重要环节。教学中依据学生已有知识结构提出问题，降低了思维难度，并适时地提出本节课所要讨论的中心问题，充分调动了学生的学习积极性，增强了学习的欲望。
学生回答：当θ增大时，物体A的加速度增大，其合外力也增大。
教师进一步追问：你是如何得到上述结论的？
学生回答：“伽俐略对自由落体运动的研究”中，不断增大斜面的倾角，小球的加速度不断增大。……
（2）实验方案与条件控制的探究
教师：现要探究小车的加速度与力、质量的关系，请设计实验方案。
学生：动手画出实验基本装置，见图2所示。
师生共同讨论：方案中存在的问题。问题1：摩擦力f的存在给实验带来许多麻烦，f如何抵消？问题2：砝码的重力等于拉力F吗？二者有何关系呢？
教师启发：从图1能否得到比较好的方案？
学生回答：利用平衡摩擦力法。即把图2的水平长木板改成斜面，使物体所受的摩擦力f与重力的分力相抵消（如图3所示），从而使绳子的拉力等于小车的合外力。教师讲解：提出近似法即在小车的质量M
砝码质量m时，拉力F≈mg。（以后会详细研究）
教师提问：为了研究小车的a、M、F三者的关系，如何研究？
学生回答：利用控制变量法。即先控制M不变，研究a与F的关系；再控制F不变，研究a与M的关系。
评析：教学中通过巧设问题，充分展示探究过程。从实验方案的设计、实验条件的控制及实验方法的选择上都用了多种科学方法，让学生领会到这些科学方法的作用，有利于培养学生良好的科学品质、创造性思维和探索能力。借助实验装置的改进，顺势实现了教学设计的紧密结合。
（3）数字化实验的有效应用
教师：介绍定量探究小车的加速度与力、质量的关系的实验装置（如图4所示）及各设备所测的量。
教师提问：利用上述实验装置如何来探究？
学生回答：在平衡摩擦力及小车的质量M砝码质量m情况下，先控制小车质量M不变，研究a与F的关系；再控制F不变，研究a与M的关系。
教师进一步追问：怎样知道实验中已平衡摩擦力？
学生回答：观察小车通过两光电门的时间间隔，若相等则已平衡。
教师提问：要测定小车的加速度还需测哪些物理学量？
学生回答：由匀变速规律
，可得两光电门之间的距离x及遮光片的宽度d。
师生共同完成实验任务。利用“DISLab数字化信息系统”记录两光电门的实验数据并在Excel表格中处理数据。（数据见表1、2）
实验结论：由上述数据及图像（图5、图6）得到牛顿第二定律——小车的加速度与合外力成正比，与小车的质量成反比，加速度的方向与合外力方向相同。
评析：把“DISLab数字化信息系统”及“Excel表格”融合到物理实验之中拓宽了传统物理实验的空间。把原本难以操作的实验过程呈现给学生，使课堂焕然一新，学生在这种环境下体验“做科学”的探究过程，从而实现科学能力和科技素质的培养。课堂上学生思维活跃，始终围绕教学问题层层推进，教学的预设和生成实现了“共振”。
二、DISLab数字化信息系统的有效应用
1.数字化实验的优势分析
把计算机、传感器等数字化实验设备应用到物理课堂中不失是一种有效的方法。传感器担负着信息采集的任务，能够将感受到的物理量，如将力、热、声、光信息转换成便于测量的电学量，并能放大、传输、储存、显示或做出必要的控制输出。与传统的实验仪器相比，传感器具有品种多、技术新、功能强、发展快、性能可靠等优势。再运用计算机强大的信息处理功能来处理数据，从而达到传统实验器材无法实现的功效。
数字化实验的有效应用，具有以下优势：
优势1：运用传感器可以使传统实验器材无法演示的实验成为可能。如为了说明通电线圈内部的磁场分布，在传统物理实验设备中，由于无法测量磁感应强度，从而给学生的学习带来了很大的困难。教学中可以借助磁感应传感器，较方便地测量通电线圈内部的磁感应强度。通过不同位置磁感应强度分布图示（图7），很直观地了解通电线圈内部的磁场分布，具有很强的说服力。
优势2：用数字化实验设备做实验可以提高实验数据的正确性且便于数据处理。如在“探究加速度与力、质量的关系”的教学中，通过光电门快捷而正确地测出小车经过光电门的时间间隔，再把数据传输给计算机，很轻松地得到了三者的关系。这样不但节约了课堂上探究的时间，而且增强了实验的正确性，从而提高了课堂效益。
优势3：可以使暂态实验现象凝固。物理实验往往在动态过程中完成，实验现象及数据的捕捉也是在动态中进行，这样势必造成观察偏差。而采用数字化实验设备可以把这一过程记录下来，甚至把其中各物理量的变化情况很直观地显示出来，从而便于课堂讨论，得出结论。如在“牛顿第三定律”教学中，学生对“作用力与反作用力总是大小相等”这句话中的“总是”两字存在疑惑，而采用力传感器可以很直观地显示作用力与反作用力产生、变化、消失的相互关系（图8）。通过对图像的讨论，加深对牛顿第三定律的理解。
2.应用数字化实验注意的问题
数字化实验设备正逐步进入课堂，如何更好地发挥其教学功能、更好地为教学服务？确实需要我们教师潜心研究。与传统的物理实验相比，数字化实验确有很大的优势。但在实际教学中还存在一些误区与偏见，主要表现为：①过多依赖数字化实验，轻视基本实验技能的培养。物理学是以实验为基础的学科，做好实验是学好物理的关键。让学生通过实验观察、动手操作、思考探究来获得知识，是培养学生创新思维和实践能力的重要途径。但在实际教学中，有的教师往往过多依赖数字化实验，课堂中出现为“数字”而“数字”的现象，而忽视实验思想及实验体验过程的探究，从而失去了实验的“过程”意义。②夸大数字化实验的教学地位，轻视学生的主体性。首先，我们应对数字化实验有一个正确的定位，数字化实验是一种教学辅助手段，把数字化实验作为获取知识、探索问题、协作讨论、解决问题和构建知识的认知工具。它的应用需建立在传统实验的基础上，为教学过程中遇到的问题（传统实验难以解决）提供技术支持，教学中两者应努力实现优势互补。教师在教学设计时要以学生为中心，从学生实际水平和学生所能接受的方式出发，精心设计数字化实验，通过多层次、多方位的动态活动，揭示知识发生的过程和学生思维展开的层次，最大限度地调动学生的主动性和参与感，以激发学生的学习热情。只有这样才能让数字化实验为物理教学服务。
数字化实验进入物理课堂，体现了物理教学的现代化，是物理教学改革的有效途径。通过教学整合可以展示传统物理实验所不能展示的规律和现象，测量传统测量工具所不能达到的精度，完成传统实验仪器所不能完成的实验；可以从更多的角度、更多的层面向学生提供更多的事实以及丰富的可探究性素材，在培养学生科学素质、创新精神和实践能力的同时提高学生的信息素养。借助“DISLab数字化信息系统”可以使我们对物理现象进行多角度的感知和多视角的探究，促进物理教学方式和学习方式的转变。
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