DIS，上海创造：数字实验系统研发实录

在评判某一种工具的作用和意义时，其中一项指标是看这种工具能否支持使用者进行创新和创造。根据二期课改的理念，物理实验教学所承载的教育功能不仅仅是让学生学会物理知识本身，而是理解知识的形成过程。这就对实验仪器设备提出了新的要求：必须有助于培养学生良好的学习习惯和思维品质，能够对学生的自主学习和自主探究形成有力的支持。

在使用磁感应强度传感器研究通电螺线管磁场的时候，给定的实验方法是：将通电螺线管置于标有刻度的座板上[图2—5—22（a）]，按照固定间隔把传感器逐步推进螺线管内部，每推动一次记录下当前的位移和磁感应强度数值，从而绘制出通电螺线管磁场分布图线[图2—5—22（b）]。

图2—5—22　通电螺线管内部磁场研究实验装置及实验结果

重新定义工具：

“在评判某一种工具的作用和意义时，其中一项指标是看这种工具能否支持使用者进行创新和创造。”旧文今解，很少有类似这句话能让我们再次收获感动。如果不是对实验教学有着深入的理解和认识，不是对工具的作用抱有哲学思考，是不可能凭空写出这段文字的。现在看来，这也是我们对DIS所能够给出的最高评价。而且直至今日，这个评价仍能得到一些行业的认可。

从教学实践来看，学生对此方法掌握得很快，教学效果也很好。但是通过深入课堂教学，发现有的学生并不满足于给定的实验设计，开始自己异想天开地“鼓捣”，而且居然弄出了“名堂”：他们根据高一阶段对DIS位移传感器功能的了解，提出了将磁感应强度传感器与位移传感器组合使用的创意。如图2—5—23（a）所示，组合后的新装置能够实时描绘出“位移—磁感应强度”关系图线，进一步提高了实验效率。然而，学生的创新并没有止步。他们在控制变量法的指导下，改变电流大小，依次获得了多条“位移—磁感应强度”图线，并依托DIS教材通用软件的并行显示功能，将多条图线放在同一坐标系里加以对比，清晰展示了电流与磁感应强度之间的关系[图2—5—23（b）]。这些创意在上海市和全国公开课上获得了专家们的好评。

图2—5—23　同时使用位移传感器与磁感应强度传感器研究通电螺线内部磁场分布实验装置及实验结果（DIS教材通用软件）

多种传感器组合初现端倪：

如今，同时借助多种传感器测量某一物理过程，研究多变量之间的关系，对DIS来说已经驾轻就熟了。但在本文问世的当年，将分体式位移传感器与磁感应强度传感器略显生硬地组合起来的这种“拉郎配”还是具有开创意义的。当DIS多种传感器的组合越来越普遍的时候，我们才逐渐认识到，这一切都源于组合创新思想（详见冯容士、陈燮荣专著《物理实验创造技法和实验研究》）。

安培力实验综合运用了电磁学的相关知识，并展示了电磁相互作用的结果，可为电动机等知识的导入做好铺垫。以往限于实验手段，多数实验侧重于定性演示安培力的存在，并证明安培力的大小与电流、磁感应强度以及处于磁场内的导线长度相关。若要对安培力进行定量研究，一般要依靠“电流天平”对力F进行间接测量，进而使用多变量复合的方法，得到实验结果。因电流天平可靠性的限制，验证F∝BIL的难度较大。(www.xing528.com)

笔者根据DIS的特性和安培力实验的教学要求，进行了一系列的创新创造。首先开发出了“安培力”实验装置（图2—5—24）。该装置由专门设计的吊架和一个长宽比为2∶1的导线框构成，吊架上设有两个固定插口，导线框在两个插口固定的时候，先后使长边和短边恰好处于磁场中。为使实验效果更明显，采用钕铁硼磁铁构造了实验用强磁场。其次，使用DIS力传感器和电流传感器作为实验的测量工具，发挥了信息技术工具的教学功能。

图2—5—24　同时使用力传感器与电流传感器进行安培力实验

实验中，将导线框的短边置于磁场中，设定导线长为L1，点击记录相应的F和I。定义x轴为I1，y轴为F1，获得基于实验数据的离散点。观察可见这些数据点的排列具有线性特征，对其进行直线拟合，得一条过原点的直线[图2—5—25（a）]，证明F和I之间成正比关系。接下来，改变导线框在吊架上的固定位置，使其长边置于磁场中，使导线长度L2=2L1。重复上述实验步骤，得出实验数据离散点拟合图线[图2—5—25（b）]。

将两条图线置于同一坐标系内观察，可见其斜率不同，两条图线的斜率之比近似于导线长度之比[图2—5—25（c）]。由此可验证F∝BIL。

在上述实验中，各种传感器、配套实验装置进行了有效的组合，从而在积累了一定信息技术知识的基础上，根据特定要求构造出了具有完整结构和有效功能的全新测量和研究单元。创造的成果固然令我们激动，但同时也使得我们反思：如果学生手中的工具不具备组合、扩展和再创造的功能，他们又有多大的舞台可以施展，他们乐于创造的天性又能保持多久呢？

立足DIS，放眼物理乃至科学教学：

DIS研发是一件事无巨细的工程。如果没有脚踏实地的作风，断难完成。但DIS的研发又是教育改革的重要组成部分，因此就事论事还不足以做出高度、做出水平。现在看本篇论文的篇后语，不禁感慨：若不是当年的研发者做到了脚踏实地与仰望星空的统一，时刻以教育教学目标的实现来校准研发方向，DIS是否能够取得今天的成果真的很难说。

图2—5—25　矩形线框短边、长边分别处于磁场中时获得的“F—I”图线及两图线在同一坐标系内的组合显示比较

使用DIS进行电磁学实验的过程，贯穿了从数据到规律、从现象到本质的归纳，充满了猜想和验证，这使得学生可以非常容易地建立起“实验数据→物理现象→物理本质”之间的基本思维模型。这不仅是DIS—数字化信息系统实验室的操作要求，更是对上海二期课改关于改变学习方式总体要求的贯彻，是一个完全符合认知规律、趋于理想化的学习过程。

中学物理教学的另外一项重要使命，就是激发学生的创新精神、培养学生的创新能力。但创新必须借助某种物化的载体，该载体既要与物理教学紧密相关，又要具备可供创新使用的结构和功能。从以上实验来看，DIS已经初步实现了这一目标。