发挥计算机教学潜力的纪实：DIS，上海创造

物理教材要适应信息技术的变革，整合物理教学与信息技术，及时构建信息技术平台，在实验教学中，除了用传统的手段和方法采集、处理数据外，还要采用新的数字化实验技术，如DIS等，拓展学生进行实验探究的时空；在教材中要适时、适量、适度地应用多媒体教学软件，发挥计算机网络提供资源和进行交流的优势，体现个性化学习与合作学习的要求，以信息化促进物理教学的现代化。

——《上海市中学物理课程标准（试行稿）》P.110

20世纪80年代起，已有人将计算机应用于物理实验数据的采集、计算及物理现象和物理过程的仿真方面，并设置了“计算物理”这门课程。时至今日，“计算物理”已经与“理论物理”“实验物理”并称为物理科学的三大基础。在教育领域，计算机既是学生的计算工具，又集教学资源库、教学工具库、信息交流及通讯平台于一身，具有不可替代性。

使用DIS做实验，尽管只调用了计算机庞大功能体系的“冰山一角”，却能够让学生认识到计算机所蕴含的巨大教学潜力，进而掌握计算机这样一个可以为自主学习、终身学习提供强有力支持的工具。

计算机的发展与人类的进化：

在AlphaGo和MASTER面前，笔者终于认识到了“信息技术与课程教学整合”这一决策背后的重大战略意义。结合美国已经推行多年的从小学开始的编程教育，笔者甚至可以断言：计算机的发展已经跟人类的进化高度相关了！眼下，计算机的变种—手机已经“器官化”了。如果此时教育没有尽到自己的责任，没有将信息技术的使用变成一项基本的生存技能灌输给我们的学生，其后果将是我们整个国民群体停止进化，并且将再次落后于其他国家。因此，笔者已经不满足于呼吁大家重视计算机的教学潜力，而是要大声疾呼：请大家重视计算机与人类生存之间的关联！认识到了这个问题，我们还会在教育教学中回避DIS吗？

实验例三—受迫振动

物质系统在外界策动力作用下所做的振动，叫做受迫振动。如果策动力是简谐力，系统将做简谐振动。在稳定状态下，振幅不变，振动频率即为策动力频率，跟它的固有频率无关。当策动力的频率跟振动系统的固有频率接近或相等时，就会导致振幅急剧增大的共振现象。当策动力消失，系统受阻力影响，呈现为振幅越来越小的阻尼振动。

将DIS位移传感器的发射器固定在小车上，小车一端用弹簧固定在力学轨道上，另一端用弹簧和细线与策动源电机的曲轴连接在一起（图2—2—4）。打开学生电源开关，调节输出电压，控制小电机的转速由慢到快（低、中、高三挡），可得到显示小车振动变化的“位移—时间”图线[图2—2—5（a）]。

图2—2—4　用位移传感器研究受迫振动(www.xing528.com)

实验表明：当小电机的转动频率为某一值时，系统的振动幅度最大（共振）[图2—2—5（b）]，大于或小于这个频率，振幅都会减小。在系统进入共振后，关闭小电机电源，系统转而做阻尼振动，振幅越来越小，直到停止振动[图2—2—5（c）]。利用“图线控制”功能对X轴放大，用波形个数除以时间方法计算出策动力的频率，计算结果为：低速时为0.588Hz、中速时为0.727Hz、高速时为1.032Hz[图2—2—5（d）]。

图2—2—5　受迫振动实验结果及图线分析

实验例四—动量定理（变力）

动量定理：物体所受合力的冲量等于物体动量变化，即Ft=mv′—mv。该实验要求能够测量碰撞前后小车的速度及碰撞瞬间作用力的变化，还需要对实验数据进行积分处理。因此，没有DIS代表的信息技术手段，以往在中学阶段完成该实验几乎是不可能的。该实验的难度，即在于传统实验体系中缺乏信息技术的应用，导致测量、计算和分析功能难以满足实验要求。

研发中心对动量定理实验的突破，体现了技术为教学服务的研发指导思想。在DIS通用软件V5.0开发完成后，研发中心首先进行了变力动量定理实验的初步尝试：通过光电门测得v′和v；通过力传感器测得碰撞过程中的“F—t”图线；通过软件积分计算功能（计算“F—t”图线与X轴之间图形的面积）得出冲量（图2—2—6），进而可以比较“Ft”和“mv′—mv”之间的关系。

图2—2—6　使用通用软件进行变力的动量定理实验

实验是做出来了，但受限于通用软件计算表格固有的设置，数据处理过程相当复杂，需要设置多个变量、公式，并需要把实验数据在计算表格中来回粘贴多次。当时上海市晋元高级中学的一位老师带着DIS到福州一中讲授动量定理实验全国公开课，就因为使用通用软件进行数据处理的过程过于烦琐而在一定程度上影响了授课效果。听课的老师在为最终得到的理想的实验结果鼓掌欢呼的同时，均希望进一步简化软件操作。为此，笔者又想到了“一键OK”的专用软件。在全体研发人员的共同努力下，变力的动量定理专用软件仅用一周时间就开发成功了。在专用软件平台上，实验的进程便捷得超乎想象，实验数据的质量也得到了大幅度提高（图2—2—7）。另外，研发中心还专门为该实验配备了一种短轨道，可以随身携带，大大方便了外出授课。

图2—2—7　使用专用软件进行变力的动量定理实验