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中图分类号:G633.7文献标识码:A 文章编号:1673-1875(2010)02-127-01
DIS实验室,即数字信息系统实验室(Digital Information System Laboratory),简称DISLab。它由“传感器+数据采集器+实验软件包(教材专用软件、通用扩展软件)+计算机”构成的新型实验系统。随着计算机技术和传感器技术的不断发展,计算机实时测量技术已经广泛应用到科学技术研究以及生产领域,同时也开始应用与中学教学,它改变了传统的实验教学方法,形成了新型教学模式。其主要特点为:现代化手段与传统的实验进行有机结合,形成多媒体实验教学环境;测量精度高、测试速度快、时空被扩大、智能互交、图文并茂、动画丰富;使传统的实验仪器扩展了新的功能,为基本的科学实验赋予了新的内容,突出了现代化测试手段和方法的应用;激发了学生的学习兴趣,拓展学生视野,增强其适应科技发展的能力。因此我们在物理实验教学中有必要掌握DIS实验室在教学过程中的应用。
一、处理好DIS实验教学与传统实验教学的关系
1、DIS实验系统丰富了传统实验的内涵: DIS不但能替代打点计时器、弹簧秤、温度计、压强计等许多传统仪表,而且能测量传统仪表无法测量的物理量,如直接测量瞬时速度、磁感应强度、微电流等;DIS系统充分利用传感器收集各类物理量的信息,并把它们转化成同步变化的电信号,如力的大小信号转化成电压大小信号。实验过程中采用高频方式采样,使收集到的信号更加精确和细致,当然,也可以根据需要调整采样频率,一般频率可以从5Hz调整到1000 Hz,基本上满足了各种实验的需要。当然,如果不需要采集器自动采样,也可用手动采样,即在需要的时候手动控制,进行采样,这样使实验的操作更灵活;DIS使处理数据的工作简单化,信息的收集和显示更精细,图像的显示和转化更方便,学生用于数据处理的时间大大减少,就有更多机会去进行探索研究。例如描绘小灯泡U—I特性曲线,传统实验需一节课完成,而使用DIS实验系统,特征曲线由计算机直接描绘,学生有充裕的时间用电阻替换小灯泡进行实验,讨论造成两图线差异的原因。又如在研究最大静摩擦力时,收集和处理好数据后,DIS系统可以迅速地绘制各类图像,让学生通过图像观察物理量之间的关系。
2、传统物理实验与数字化实验有明显的差异:前者侧重于培养细致、认真、耐心的观察习惯,后者则侧重于培养在观察中思考探究的能力;前者重视培养正确选择和使用仪器的能力,后者则相对欠缺;前者一般比较重视实际操作技能的训练,后者则有利于掌握利用信息技术学习、拓展知识的能力;在数据处理过程中,前者可以充分培养计算、作图以及利用数学知识解决物理问题的能力,后者则有助于培养分析数学图形的能力和对复杂物理现象进行分析判断的能力;在对学生自主探究和创新能力的培养方面,前者学生设计实验的局限性比较大,限制了探究的深度和广度,后者则多数实验可以由学生自行设计、动手完成。
3、DIS实验对物理教学而言是一种得力辅助:多媒体教学是一把“双刃剑”,既可促进教学,也会拖累教学,DIS实验也具有这样的特点, 不能以为采用DIS实验这种手段就万事大吉了,而是应该充分了解DIS实验的功能,设计好DIS系统在物理教学中的应用策略,结合各种教学手段,如视频,图片、课堂竞答、课堂小游戏等,恰如其分地将DIS实验融入到教学内,实现物理教学效果的最优化。DIS实验课堂效率不高是教学过程中遇到的一个很大问题,究其原因主要有两个:一是实验操作技术不过关,对软件系统的不熟悉;二是学生对实验课不重视,又受到计算机中各种因素的干扰,实验过程中目标不明确,随意性、盲目性比较大。主动的对DIS实验系统进行了解和学习,同时对学生要进行必要的课前技术培训,强化和提升DIS实验技能,课前要做好充分的准备,让学生在进入实验室之前就明确实验的目的和要求,同时在课堂上合理分组,每个小组都要由组长进行监督和调控,保证各个小组实验的效率。在课堂上采用专用的计算机课堂管理系统,如苏亚星、传奇等。可以更好地控制课堂的各个环节,优化课堂教学。
二、处理好模拟实验与传统实验的关系
高中物理课堂中有很多学生实验和演示实验,由于由于受到常规实验仪器、实验材料等条件的限制,实验效果不如人意。通过多媒体技术模拟一些重要的在目前条件下难以完成的实验,弥补常规实验的不足,提高实验的演示效果。如《电磁振荡》这一节。要很好地理解“电磁振荡”这个物理现象及其规律,仅仅做好实验或利用挂图是不够的。学生对LC电路中振荡电流的产生过程,电压和电流的大小、方向的变化规律往往感到难以理解和掌握。本人在做好电磁振荡演示实验的前提下,运用多媒体课件,形象地模拟显示电容器中电场线、电压,线圈中磁场线、自感电动势及电路中电流的同步协调的动态变化情况,再辅以电流、电压、自感电动势周期性变化的图像,清楚地反映了电磁振荡中电流、自感电动势、电压三者间相互依存、相互制约的关系,以及由此决定了的LC电磁振荡规律,同时也揭示了该物理过程中各物理量的辨证关系。又如“氢原子的能级与跃迁”的教学,做好氢光谱的观察实验,让学生看到谱线特点,特别是看到其发射光谱与吸收光谱的谱线位置相同,是理论分析的基础,至关重要。但建立在实验基础上的氢原子玻尔模型是抽象思维的产物,它无法做实验,无法直接观察,若用语言叙述,学生很难在脑子里形成一个物理过程的动态形象,计算机辅助教学软件则可以展现这个动态物理模型。物理学习应指导学生尝试用“几何画板”、“仿真物理实验室”等工具软件研究问题。如几何光学中的面镜(平面镜、球面镜)成像规律、光线通过玻璃砖与三棱镜的传播特点、观察水中物体(视位置及轨迹)、光学元件成像观察范围以及与折射(全反射、色散)相关的光学小实验等,都可以让学生在探索中学习。这样可使他们对所学知识有更深刻的理解,同时加深认识数理之间的联系和学会物理图景的动态分析。
值得注意的是,培养学生的实践能力和严谨的、以事实为依据的科学态度,是物理实验教学的基本目的之一。模拟是被理想化的模型,对一些操作方便、效果明显的实验,无论从真实性还是从效果来看,都不宜用计算机模拟。若不加区别、一味用虚拟的过程替代真实实验,将会弱化学生的实际操作能力和科学意识,背离实验教学的初衷。
三、处理好课内的实验与课外实验的关系
实验能力的培养与实验习惯的形成不能仅仅依靠课堂,我们应该把课内活动看作是启蒙,课外活动理所应当的成为主战场。DIS为对物理实验感兴趣的同学提供了平台,如几何画板、Interactive Physics(交互性物理)、“仿真物理实验室”等工具软件都可进行虚拟环境中的探究。它为学生提供自己动手、探索问题的模拟实验环境,学生面对问题时,可以使用它们做实验,来发现、总结一些规律。如研究车轮上一点对地的运动情况,即使知道理论分析的方法,但具体到其运动轨迹时大部分学生感到困难,如果利用虚拟实验,输入车轮半径与车轮速度后就可以很清楚的观察到车轮上任意一点的运动轨迹。DIS使许多实验从定性观察上升到了定量分析层面,实验质量效果得到了提升。网上成型的虚拟实验,为学生提供了全方位的、开放性的操作环境。如学生可在虚拟场景中从各个角度观察游标卡尺,用它测量物体(如测量圆柱的直径、圆桶的深度和圆环的内径等),并根据得到的反馈信息(包括测量方法和读数)进行有重点的训练,完成对游标卡尺的结构、测量方法及读数的意义建构。又如对万用表、示波器等一些较复杂的仪器,可有目的地引导学生反复模拟使用过程,使他们理解原理和测量方法,待初步掌握了测量技能后,再到真实仪器上调试,这样便减少了盲目性,训练效果十分明显。
总之,DIS实验教学应与传统的实验教学辩证统一起来,最终实现现代教育技术与高中物理学科课程教学的科学整合。通过整合激发学生对物理学科学习的兴趣,同时增强课堂内外参与意识,使学生的实验理解能力、动手能力、创新能力得到提高。
DIS实验室,即数字信息系统实验室(Digital Information System Laboratory),简称DISLab。它由“传感器+数据采集器+实验软件包(教材专用软件、通用扩展软件)+计算机”构成的新型实验系统。随着计算机技术和传感器技术的不断发展,计算机实时测量技术已经广泛应用到科学技术研究以及生产领域,同时也开始应用与中学教学,它改变了传统的实验教学方法,形成了新型教学模式。其主要特点为:现代化手段与传统的实验进行有机结合,形成多媒体实验教学环境;测量精度高、测试速度快、时空被扩大、智能互交、图文并茂、动画丰富;使传统的实验仪器扩展了新的功能,为基本的科学实验赋予了新的内容,突出了现代化测试手段和方法的应用;激发了学生的学习兴趣,拓展学生视野,增强其适应科技发展的能力。因此我们在物理实验教学中有必要掌握DIS实验室在教学过程中的应用。
一、处理好DIS实验教学与传统实验教学的关系
1、DIS实验系统丰富了传统实验的内涵: DIS不但能替代打点计时器、弹簧秤、温度计、压强计等许多传统仪表,而且能测量传统仪表无法测量的物理量,如直接测量瞬时速度、磁感应强度、微电流等;DIS系统充分利用传感器收集各类物理量的信息,并把它们转化成同步变化的电信号,如力的大小信号转化成电压大小信号。实验过程中采用高频方式采样,使收集到的信号更加精确和细致,当然,也可以根据需要调整采样频率,一般频率可以从5Hz调整到1000 Hz,基本上满足了各种实验的需要。当然,如果不需要采集器自动采样,也可用手动采样,即在需要的时候手动控制,进行采样,这样使实验的操作更灵活;DIS使处理数据的工作简单化,信息的收集和显示更精细,图像的显示和转化更方便,学生用于数据处理的时间大大减少,就有更多机会去进行探索研究。例如描绘小灯泡U—I特性曲线,传统实验需一节课完成,而使用DIS实验系统,特征曲线由计算机直接描绘,学生有充裕的时间用电阻替换小灯泡进行实验,讨论造成两图线差异的原因。又如在研究最大静摩擦力时,收集和处理好数据后,DIS系统可以迅速地绘制各类图像,让学生通过图像观察物理量之间的关系。
2、传统物理实验与数字化实验有明显的差异:前者侧重于培养细致、认真、耐心的观察习惯,后者则侧重于培养在观察中思考探究的能力;前者重视培养正确选择和使用仪器的能力,后者则相对欠缺;前者一般比较重视实际操作技能的训练,后者则有利于掌握利用信息技术学习、拓展知识的能力;在数据处理过程中,前者可以充分培养计算、作图以及利用数学知识解决物理问题的能力,后者则有助于培养分析数学图形的能力和对复杂物理现象进行分析判断的能力;在对学生自主探究和创新能力的培养方面,前者学生设计实验的局限性比较大,限制了探究的深度和广度,后者则多数实验可以由学生自行设计、动手完成。
3、DIS实验对物理教学而言是一种得力辅助:多媒体教学是一把“双刃剑”,既可促进教学,也会拖累教学,DIS实验也具有这样的特点, 不能以为采用DIS实验这种手段就万事大吉了,而是应该充分了解DIS实验的功能,设计好DIS系统在物理教学中的应用策略,结合各种教学手段,如视频,图片、课堂竞答、课堂小游戏等,恰如其分地将DIS实验融入到教学内,实现物理教学效果的最优化。DIS实验课堂效率不高是教学过程中遇到的一个很大问题,究其原因主要有两个:一是实验操作技术不过关,对软件系统的不熟悉;二是学生对实验课不重视,又受到计算机中各种因素的干扰,实验过程中目标不明确,随意性、盲目性比较大。主动的对DIS实验系统进行了解和学习,同时对学生要进行必要的课前技术培训,强化和提升DIS实验技能,课前要做好充分的准备,让学生在进入实验室之前就明确实验的目的和要求,同时在课堂上合理分组,每个小组都要由组长进行监督和调控,保证各个小组实验的效率。在课堂上采用专用的计算机课堂管理系统,如苏亚星、传奇等。可以更好地控制课堂的各个环节,优化课堂教学。
二、处理好模拟实验与传统实验的关系
高中物理课堂中有很多学生实验和演示实验,由于由于受到常规实验仪器、实验材料等条件的限制,实验效果不如人意。通过多媒体技术模拟一些重要的在目前条件下难以完成的实验,弥补常规实验的不足,提高实验的演示效果。如《电磁振荡》这一节。要很好地理解“电磁振荡”这个物理现象及其规律,仅仅做好实验或利用挂图是不够的。学生对LC电路中振荡电流的产生过程,电压和电流的大小、方向的变化规律往往感到难以理解和掌握。本人在做好电磁振荡演示实验的前提下,运用多媒体课件,形象地模拟显示电容器中电场线、电压,线圈中磁场线、自感电动势及电路中电流的同步协调的动态变化情况,再辅以电流、电压、自感电动势周期性变化的图像,清楚地反映了电磁振荡中电流、自感电动势、电压三者间相互依存、相互制约的关系,以及由此决定了的LC电磁振荡规律,同时也揭示了该物理过程中各物理量的辨证关系。又如“氢原子的能级与跃迁”的教学,做好氢光谱的观察实验,让学生看到谱线特点,特别是看到其发射光谱与吸收光谱的谱线位置相同,是理论分析的基础,至关重要。但建立在实验基础上的氢原子玻尔模型是抽象思维的产物,它无法做实验,无法直接观察,若用语言叙述,学生很难在脑子里形成一个物理过程的动态形象,计算机辅助教学软件则可以展现这个动态物理模型。物理学习应指导学生尝试用“几何画板”、“仿真物理实验室”等工具软件研究问题。如几何光学中的面镜(平面镜、球面镜)成像规律、光线通过玻璃砖与三棱镜的传播特点、观察水中物体(视位置及轨迹)、光学元件成像观察范围以及与折射(全反射、色散)相关的光学小实验等,都可以让学生在探索中学习。这样可使他们对所学知识有更深刻的理解,同时加深认识数理之间的联系和学会物理图景的动态分析。
值得注意的是,培养学生的实践能力和严谨的、以事实为依据的科学态度,是物理实验教学的基本目的之一。模拟是被理想化的模型,对一些操作方便、效果明显的实验,无论从真实性还是从效果来看,都不宜用计算机模拟。若不加区别、一味用虚拟的过程替代真实实验,将会弱化学生的实际操作能力和科学意识,背离实验教学的初衷。
三、处理好课内的实验与课外实验的关系
实验能力的培养与实验习惯的形成不能仅仅依靠课堂,我们应该把课内活动看作是启蒙,课外活动理所应当的成为主战场。DIS为对物理实验感兴趣的同学提供了平台,如几何画板、Interactive Physics(交互性物理)、“仿真物理实验室”等工具软件都可进行虚拟环境中的探究。它为学生提供自己动手、探索问题的模拟实验环境,学生面对问题时,可以使用它们做实验,来发现、总结一些规律。如研究车轮上一点对地的运动情况,即使知道理论分析的方法,但具体到其运动轨迹时大部分学生感到困难,如果利用虚拟实验,输入车轮半径与车轮速度后就可以很清楚的观察到车轮上任意一点的运动轨迹。DIS使许多实验从定性观察上升到了定量分析层面,实验质量效果得到了提升。网上成型的虚拟实验,为学生提供了全方位的、开放性的操作环境。如学生可在虚拟场景中从各个角度观察游标卡尺,用它测量物体(如测量圆柱的直径、圆桶的深度和圆环的内径等),并根据得到的反馈信息(包括测量方法和读数)进行有重点的训练,完成对游标卡尺的结构、测量方法及读数的意义建构。又如对万用表、示波器等一些较复杂的仪器,可有目的地引导学生反复模拟使用过程,使他们理解原理和测量方法,待初步掌握了测量技能后,再到真实仪器上调试,这样便减少了盲目性,训练效果十分明显。
总之,DIS实验教学应与传统的实验教学辩证统一起来,最终实现现代教育技术与高中物理学科课程教学的科学整合。通过整合激发学生对物理学科学习的兴趣,同时增强课堂内外参与意识,使学生的实验理解能力、动手能力、创新能力得到提高。