数字化实验系统DIS热学实验教学范围及成果

新的器材带来了新的实验教学思路。DIS对热学实验教学的另一项贡献在于，传感器技术大大拓展了热学的实验教学范围，使教师和学生获得了进行创新实验的良好依托，大量定性观察实验升级为定量研究实验，很多原来做不出、做不好的实验都有了理想的解决方案。

在不同物质的导热率研究实验中，我们使用温度传感器对传统实验装置进行了改造（图2—6—15），通过三条温度图线（图2—6—16）的对比，证明了实验涉及的三种导体导热本领的差异：铝的导热本领最强，黄铜次之，铁的导热本领最差。当然，如果同时让学生观察到火柴杆掉落的现象，教师无疑可以将实验做得更生动、有趣。

红外线热效应研究对于学生理解热辐射相当有帮助。使用DIS温度传感器，构造如图2—6—17所示的实验装置，将温度传感器金属探针前端用煤烟熏黑并置于红外区域（红色光外1cm左右），可观察到温度显著升高。

图2—6—15　使用DIS温度传感器改造热传导实验

图2—6—16　三条温度图线

红外线的热效应—没想到的实验：

本文中提到了红外线热效应实验，但没有过多展开。现在回想起来，这个实验实在是一个意外收获。当时学校里的一个红外线热效应实验装置已近废弃，笔者抱着试试看的态度将其修理了一下，打开发现还能用。随后就将一只温度传感器固定在了广谱的红外部分，谁知不一会儿温度就开始显著升高，一个经典的DIS热学实验随之完成。由此，笔者坚定了“没有做不到、只有想不到”的信心，自此对DIS教学应用的开发，也更加自如。(www.xing528.com)

除了温度和压强传感器外，DIS的其他传感器也已应用于热学实验，并以新颖的实验方式取得了令人满意的效果。比如，在热胀冷缩实验中，笔者使用力传感器构造了热胀冷缩演示器（图2—6—18）：DIS力传感器固定在横支架上，将金属丝一端固定在力传感器的挂钩上，另一端与横支架上的螺栓相连。旋动螺栓，可调整金属丝处于张紧状态，使力传感器示数稳定在某一数值。实验时，用点燃的火柴（或打火机等）对金属丝稍做加热，即可观察到力传感器的示数迅速降低；停止加热，力传感器的示数逐渐增大，并最终恢复到实验开始的状态。DIS的实时图线功能，为学生提供了形象直观的观察条件。如果更换多条金属丝，还可以引导学生通过图线研究不同金属的受热膨胀比。

图2—6—17　使用DIS温度传感器研究红外线热效应

图2—6—18　使用DIS力传感器研究物体的热胀冷缩

将力传感器用于热学实验—DIS的跨界创新：

本文还记录了DIS研发过程中的一个有趣现象，即很多传感器可以被跨界使用，比如热胀冷缩实验中引进了力传感器，将热胀冷缩效应转化为张力的变化，效果非常显著。而在力学所属的单摆运动规律中引进电压传感器、在化学所属的熔融硝酸钾导电实验中引进电流传感器等，都收到了不错的教学效果。而在对DIS传感器良好的适应性有了信心之后，我们才得将目光转向传感器与实验装置、器皿以及其背后的物理过程之间的接口问题，这是到目前为止DIS研发成功的重要经验之一。

实验教学的进步来自工具的发展。DIS构建的“数字化信息系统”依托传感器、数据采集器和计算机，已经成为教师和学生可以信赖的实验教学工具。这一工具不仅解决了具体的实验问题，更开阔了教师和学生的思路，培养了他们借助现代化工具自主学习和自主探究的能力。这也从创造性思维方面给予我们启发：寻求突破，有时必须“跳出圈外”。换一个角度考虑问题，或者引入其他学科的技术解决问题，结果往往是革命性的。上海市二期课改及国家新一轮课程教材改革都强调“信息技术与物理学科教学整合”，其目的也在于此。