促进物理现象和规律的可视化成果

物理现象大部分是可见的，但即便是可见的物理现象，有些也不是那么容易被我们的眼睛捕捉。比如使用测力计进行最大静摩擦力实验时，随着逐步增加对物块的拉力，测力计的指针在发生移动。就在物块将动未动的那一瞬间，指针达到最大值。物块开始滑动之后，指针又马上回落并保持在一个固定值。看清楚并记录测力计瞬间达到的最大值，是最大静摩擦力实验成败的关键。但我们很难保证学生每次都能看清“瞬间”的变化。力的相互作用、超重失重、碰撞等实验，也都存在观察和记录的困难。

记忆测力计—笔者在机械时代的尝试：

DIS诞生之前，有无数教师尝试解决力的测量和记录问题。当时的记忆测力计（《物理实验创造技法和实验研究》，冯容士、陈燮荣著，上海教育出版社，1998年7月第1版）当属其中的巅峰之作。如图2—4—5所示，记忆测力计凭借弹簧+套筒，采用简单而巧妙的构造，实现了实验装置与实验需求高度贴合。尽管当我们拥有了多个型号的DIS力传感器之后，纯机械的记忆测力计看起来恍如隔世，但正是那时在有限的技术和物质条件下的不断探求，才使得笔者接手DIS的研发之后，迅速将DIS导入了腾飞的轨迹。

物理实验教学的成功经验表明，把物理现象和规律纳入学生的可视化范围，让学生“看到现象”是必需的。为满足这一教学要求，广大教师做过不少尝试，也有所建树。笔者就曾设计过具有“记忆”功能的测力计（图2—4—5），并使用记忆测力计开发出了“最大静摩擦力描绘器（图2—4—6）”和“冲力描绘器（2—4—7）”等实验装置。

图2—4—5　记忆测力计

图2—4—6　基于记忆测力计的最大静摩擦力描绘器

图2—4—7　基于记忆测力计的冲力描绘器

其中，“记忆测力计”由木棒、套管和弹簧组成，利用受力时弹簧的伸长拉动木棒，使套在木棒上的指示环移动并因为摩擦力的缘故停留在木棒移动的最远处，从而记录下测力计的最大示数。该记忆测力计的特点是既可测量拉力，又可测量压力。

“最大静摩擦力描绘器”，则是将记忆测力计置于滑块上，通过滑轮系统将施加在滑块上的拉力同时作用于记忆测力计。拉动滑块，牵拉套管内的木棒上升，套在木棒上的笔架和指示环同时移动，在装置侧面的立屏上绘出摩擦力图线。拉力克服摩擦力使滑块开始移动后，即可通过图线的峰值清晰地观察到最大静摩擦力现象，并通过指示环的位置读出最大静摩擦力数值。

“冲力描绘器”，是将记忆测力计连同笔架水平放置，在木槌下落的同时匀速拉动纸带，测力计受到木槌的冲击带动笔架产生位移，就在纸带上绘出了冲力的变化图线，并获得冲力的最大值。

上述努力虽然说不上“重大发明”，但当时也解决了实验教学的燃眉之急。故面对信息技术与物理教学整合的成果—DIS的时候，颇有“久旱逢甘霖”之感。

DIS基于实验数据自动化采集的实时图线功能，在促进物理现象和物理规律的可视化方面取得了一定进展，引发了实验教学方法的变革。(www.xing528.com)

图2—4—8　使用力传感器研究最大静摩擦力

在使用DIS进行最大静摩擦力实验时[图2—4—8（a）]，正是靠上述功能，使学生“看到”了最大静摩擦力现象的全部细节[图2—4—8（b）]。其中，图线的峰值明确显示了最大静摩擦力的存在，及最大静摩擦力出现后摩擦力趋于常数的物理规律。很多学生反映，正是依靠这段图线，才真正看到了力，理解了什么是摩擦力，什么是最大静摩擦力。与笔者多年前进行的尝试相比，虽有异曲同工之处，但效率和精确度显然不可同日而语了。这就是技术进步、工具发展的力量。

变不可见为可见，从力传感器开始：

高中物理开篇就是力学。因此，很多学生是从力传感器开始认识DIS的。力是矢量，既能合成又能分解。对力矢量特性的认识往往成为一个人一生中能否具备真正的物理思维的分水岭。事实上，很多学生在这个方面败下阵来。力传感器实现了力的可视化，不仅显示其大小，还能显示其方向；既帮助了学生认知，也帮助了老师的授课。无怪乎首都师范大学附中王邦平老师在《中国教育报》上撰文称：DIS变不可见为可见，变不可能为可能。

图2—4—9　使用力传感器研究牛顿第三定律

使用DIS传感器进行牛顿第三定律教学，更取得了令人满意的效果。实验中，通过软件分别将两只传感器的“力—时间”图线定义为红色和蓝色。两手各持一只力传感器，向相反方向拉[图2—4—9（a）]。观察获得的图线，发现两条图线基本重合，表示两力的大小是相等的；将其中一个传感器的图线设为“镜像显示”后重复实验，可获得以时间轴为中心上下对称的两条图线[图2—4—9（b）]；保持“镜像显示”，轻轻地让两传感器对敲，获得的两条图线仍然以时间轴为中心上下对称[图2—4—9（c）]，清晰地展现了牛顿第三定律。

据调查，自2002年9月DIS开始在试点学校试用以来，牛顿第三定律实验被学生们公认为是“最有趣”的实验。这意味着实验技术和实验手段的进步不仅让学生“看到”了物理现象，帮助他们总结出了物理规律，还唤起了学生对物理学的兴趣，而这种兴趣正是决定学生在科学探索的道路上能走多远的关键因素。

与力相仿，位移也是一个动态变化的物理量值。怎样实时测量位移的动态变化，比实时测量力更让物理老师头痛。DIS不仅能让学生看到力，还能够看到并测量位移。在观察弹簧振子的振动图像的实验中[图2—4—10（a）]，直接将运动发射传感器作为弹簧振子固定在演示装置上，并与位移接收传感器位置相对，使之水平振动，就可以观察到振动图像[图2—4—10（b）]。经过研发中心的不断拓展，DIS位移传感器的实验教学应用不仅扩展到了力学、运动学的各个领域，甚至在电磁学实验中也有了用武之地。

图2—4—10　使用位移传感器描绘弹簧振子的振动图像

看到位移—理解“物理量—时间”关系图线：

力传感器实现了力的可视化，教材随后给出的位移传感器应用则更进一步，使得学生能够开始理解“物理量—时间”关系图线。现在看来，教材将知识体系、实验设置和学生的认知发展有机地编织起来，可为匠心独运。而其中，DIS则作出了自己应有的贡献。