DIS：数字化实验系统研发纪实，研究方法，提供强大支持

研究性学习的核心就是实验探究，而实验探究所强调的就是想得出、做得到，实现一个完整的探究过程对学生来说是最重要的。只要过程完整，实验做得出，事先的设想错了也没关系—根据逆向思维法则，错误也是研究的素材、教学的资源。可如果设想中的实验最终做不出，不仅会大大挫伤学生的探究热情，研究性学习也就失去了“研究”色彩而演变为“思辨”了。DIS的测量、显示、计算和分析功能，突破了传统实验的诸多限制，大幅度优化了研究方法，为研究性学习的顺利开展提供了有力支持。

牛顿管实验早已被广大师生熟知。该实验揭示了空气阻力现象，并引出了自由落体的定义。但长期以来，该实验始终停留在定性阶段，学生和老师想深入探究造成管内羽毛和钱币下落速度差异的根本原因，却因缺少合适的气压测量装置而无从下手。形成了两种成熟的技术方案。我们不满足于说到做到，更努力超越自己。但还是那个问题：期望老师和学生们放开手脚使用，让DIS成为你们手中的研究工具！

不仅说到做到，更要自我超越：

回顾当年，本文问世之时，我们已经完成了使用DIS优化研究方法的很多实例，但有一部分例子尚属于合理推演，并未付诸实施。但如今，不仅本文所有涉及的应用案例都已成为现实，我们更凭借不懈的努力对当时的设计进行了大幅度超越。例如针对二维运动的研究，当时尚未开始，现在已经进行了三个轮次，试用了三种技术路线，取得了两个系列的解决方案；针对法拉第电磁感应定律的研究，

图2—12—7　使用三通将压强传感器接入牛顿管

借助一个三通将压强传感器前端测管与牛顿管相连（图2—12—7），即可实时监测管内的大气压强值。此时再观察羽毛和钱币下落速度的差异，就有了重要的参考依据：气压值。使用抽气机逐渐改变牛顿管内的气压，可见两者下落速度趋向接近；实验表明：当管内气压降至外部大气压的7%时，羽毛和钱币即可等速下落。

基于上述应用实例，我们可用类比的方法，将诸多类似的传统定性观察改造为定量研究，并抓住这些实验的本质—气压的变化。比如“真空铃”“低压沸腾”“真空喷泉”“浮沉子”等，连“瓶子吞鸡蛋”也有了新意。

使用新装置—DIS压强传感器改造传统实验，一方面是对传统实验潜力的挖掘，另一方面则是让人眼前一亮的创新。当学生看到自己早已熟悉得不能再熟悉的实验又有了新做法、新发现，这种惊奇和兴奋往往就能成为他们继续探究的动力。

从低端研究到高端研究—DIS对研究性学习的支持：

研究性学习本无高低之分，但借助其使用的工具，我们还是可以将其划分为低端和高端。所谓低端，指的是使用常规工具的研究；所谓高端，指的是使用DIS这种能够被用户进行升级和改造的智能化工具的研究。为什么这样划分呢？因为我们通过十六年的研发经历认识到：工具的水平肯定会影响和决定研究的水平，使用工具的能力本身就是教育内容的一部分。DIS既有硬件也有软件，硬件可扩展、软件可升级。使用DIS的过程，又离不开与计算机的交互，这对于用户来说意味着更多的知识和能力。正是因为这样，我们才将借助DIS进行的研究性学习定义为高端研究，并且期待着这种高端研究能够成为学生成长历程中的助推器。

图2—12—8　经改造的热传导实验装置

为什么锅身一般用金属而锅柄用塑料或木头？同时对金属锅和砂锅加热，哪种锅里的水升温快？若同时停火，哪种锅里的水降温快？真空杯是怎样保温的？这一系列生活中的问题都涉及一个很重要的物理概念—热传导。受限于温度测量方法，传统的热传导实验装置仅能进行定性观察。笔者使用DIS温度传感器对该装置进行了改造（图2—12—8），不仅实现了定量研究，还利用软件的组合显示功能获得了不同材料的导热升温图线（图2—12—9），突破了传统实验的局限。

将上述研究方法推而广之，诸多研究课题都可以迎刃而解，更重要的是学生可以借此掌握DIS温度传感器的活用方法—热传导可以研究，热辐射也可以研究；升温现象可以研究，降温现象也可以研究；既可使用单传感器测量，也可使用多个传感器进行基于控制变量法的对比。

图2—12—9　不同材料的导热升温图线(www.xing528.com)

碰撞研究，是传统力学实验中的难点。其难度一方面在于缺乏可靠的力测量手段，另一方面在于碰撞是典型的暂态现象，过程转瞬即逝，常规的测量手段无法对这一物理过程进行展示。

使用DIS力传感器，可构造出理想的碰撞研究装置（图2—12—5）。借助软件的强大功能（组合显示、图线锁定、自由坐标等），不仅可以获得一次碰撞瞬间的F—t图线，还可以将多次碰撞的结果组合在一起加以对比。图2—12—10即为三次碰撞的F—t图线组合，小车的质量保持不变，但速度逐次增加，可见F—t图线的峰值也随之增高，表明其动量随速度增加而增大。

观察图2—12—10，细心的学生会发现：尽管碰撞前小车的速度不同，但为什么三次碰撞的完成时间如此接近？由此进入下一轮探究：首先保持图2—12—10使用的弹簧圈不变，增加碰撞次数，获得速度从低到高的多组实验图线（图2—12—11），归纳其规律；其次保持小车运行速度基本不变而改变碰撞介质，换用塑料块、铁片、纸片来碰撞力传感器，并行显示所获得的实验图线（图2—12—12）。由图2—12—11、图2—12—12可总结出以下规律：碰撞介质不变，每次碰撞完成的时间基本相同；速度不变，不同介质的碰撞完成时间差异较大。

图2—12—10　三次碰撞F—t图线组合

工欲善其事必先利其器：

开展研究性学习，必然要有研究性的工具。笔者当年就已断言：没有工具的研究性学习只能沦为思辨。而对于尚未奠定完整科学基础的学生来说，思辨或思想实验是不可想象的。DIS未必是开展研究性学习的最优工具，但也可以进入优选工具之列。至少，伴随着教材而统一装备的数字化实验工具，可以将开展研究性学习的便利条件送到教师和学生身边。

图2—12—11　五次碰撞F—t图线组合

图2—12—12　换用不同介质获得的F—t图线组合

该实验研究到此并没有画上句号。有了清晰的碰撞图线，是否能够与课本上所讲的“弹性碰撞”“非弹性碰撞”形成对应呢？

上述三个实验例说明，将DIS引入研究性学习，不仅可以凭借其种类齐全的传感器填补传统实验研究的空白，而且能够凭借图线功能，让实验探究从“靠数据说话”过渡到“靠图线说话”，用展示物理过程、捕捉暂态变化、实现多次测量结果的对比，明显改善了研究方法，确保了学生“想得出做得到”。

自动控制—利用DIS开展研究性学习的最新案例：

关于DIS与研究性学习之间的关系，笔者早在十多年前就已详述。在本文点评之末，似乎有必要增加一类将DIS应用于研究性学习的新案例，即基于DIS开展的自动控制。

传感器是自动控制的基础，计算机或相应的计算单元是自动控制的核心，各种电机和继电器就是自动控制的腿脚。上述结构也可以简化成“传感器+控制器+执行器”。DIS已经提供了“传感器+控制器”的基本架构，用户只需将基于传感器的数据，在计算机内部设置好相关的控制逻辑，即可将控制信号输出到执行器上，实现自动控制。

与其他控制电路组件相比，DIS能够采集的数据源相对广阔，基于计算机的编程也使得控制逻辑的实现相对容易，而控制信号的输出也能够实现标准化。因此，DIS稍加改造就是理想的控制模型。我们已经在此基础上开发了多元解决方案，并直接促进学生创造性思维方式的培养。