物理学科DIS实验课程的探索与实践

1.数字化实验背景下的个性化学习对学生基本知识掌握的比较

传统实验和DIS 实验都能帮助学生认知、理解、掌握物理概念。传统实验在提高学生学习兴趣上明显不如DIS 实验，因而某种程度上降低了学生对概念认知、理解、掌握能力的提高；DIS 实验有明显的优势，它增强了学生的兴趣，提高了学生的关注程度，相应地提高了学生对概念的认知、理解、掌握上的能力；另外，学生的视野开阔了，提高了认知概念方面的局限；对概念的理解相应增强；能更全面地掌握物理概念，具体体现在方法的灵活性。同时也充分挖掘学生的潜能，并有效培养学生的创新能力。

2.数字化实验背景下的个性化学习对学生实验操作能力的培养

操作能力是中学物理实验中的基本能力，正确而有序的实验操作是达成实验目的的关键。因此这一能力的培养在传统实验和DIS 实验中都占有一定的位置，但两者之间也存在差异。传统实验需要的测量仪器较多，操作时间较长，实验中容易出现故障，有利于培养学生清晰、有序的思维能力及勇于克服困难的坚强的意志品质。

DIS 实验的操作过程相对简单，体现了实验设计的方便性原则。同时DIS 实验系统作为信息采集和数据处理工具，提高了学生使用计算机的操作技能，有利于学生掌握利用现代化信息技术学习、拓展知识的能力。

3.数字化实验背景下的个性化学习对教学时间的重新分配

计算机和传感器等数字手段应用于数据采集环节，可以更快更准确地得到实验数据，从而节省宝贵的课堂时间，可以把更多的精力集中在对物理过程的分析和研究上。

在数据分析环节，利用计算机的强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、烦琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。利用计算机的即时绘图软件，可以在采集数据的同时把需要的物理图线绘制出来，极大地提高课堂效率。在借助传感器用计算机测速度的实验中，用“位移传感器”把物体导轨上运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机运算，可以在屏幕上显示物体运动的速度，甚至能在几秒内自动绘出运动v-t 图像。这样，学生可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析。数字化实验和传统实验效率对比见表4-1。

表4-1　数字化实验和传统实验效率对比

加强对数据处理过程中的计算、作图能力，数形结合、归纳结论能力的培养。传统实验在数据处理方面所花的时间占整个实验过程的45%，学生要经过详细的计算或描点作图，才能根据计算的结果或做出的图像进行分析归纳，得出结论。因此，传统实验在数据处理过程中，可以充分培养学生的计算能力、作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力。但由于计算过程冗长，学生用于探索研究的时间就很少。

DIS实验则正好相反，它用于数据处理的时间只占整个实验过程的3%，计算、描点、作图的工作都由计算机来完成，如图4-7 所示。学生的主要任务是根据数据进行探索、研究、推测结论，然后选择合适的函数进行拟合。数据分析表明，DIS实验有54%的时间供学生探索研究，而传统实验在这方面所用的时间只有5%。从这一比例来看，传统实验侧重于培养学生计算、作图、归纳等基础能力；DIS 实验则更加侧重于培养学生对知识和规律的探求能力。同时现代信息技术的应用，使人们很容易得到各种图像，如作用力和反作用力的图像、声波的振动图像等，更有利于培养学生的数形结合能力。DIS 实验中的各种函数拟合功能，还有助于培养学生处理信息推测答案的能力，以及根据信息构建物理模型的能力。传统实验在这方面则难望其项背。

图4-7　传统实验与DIS 实验学生活动时间分布对比图

4.数字化实验的课程开发

建立学校教育和实践锻炼相结合的开放式培养体系，探索并推行创新型教育方式方法，突出培养学生的科学精神、创造性思维和创新能力，加强实践能力培养。

致力于创造一个有利于学生生动活泼、健康发展的教育环境，把教育的首要目标从获取知识转变为关注人的发展，要给学生提供充分发展的时间和空间。

此外，还需进行DIS 校本课程开发。DIS 课程分为理论学习和实验探究两部分。理论学习部分是所有学生必须学习的课程，采用储能中学自编的校本教材《DIS 实验教程》。理论课教学以教学班为单位，每周1 课时。

实验探究部分是在教师的引导和带领下，学生自主开展课题研究。进行实验探究教学时，将每班学生分为三个实验大组，每个大组再分为10 个小组，每小组两人。每次实验三组学生分别进入理化生实验室，每三周一个循环，三周后视具体情况更换课题。实验复习阶段约20 课时；探究拓展阶段课时安排视组数而定，每组活动时间不少于10 课时。

［案例4-17］ 物理实验“测定本地重力加速度”

引导学生利用DIS 系统设计多种实验方案测定重力加速度。通过动手实践、动脑思考、交流探讨实验结果、挖掘数据和图线中蕴含的物理意义来调动学生学习物理的积极性，发挥学生自主探究的能动性，创造生动活泼的课堂，体验从实验设计、过程探究、数据处理到误差分析完整的科学探究过程。体验科学方法的应用，感悟科学的求真务实，增强科学探究的意识和能力。

1.研究主要环节

本设计采用提出问题—设计方案—实验探究—交流小结的模式组织教学，整个教学过程可分为四个主要的教学环节：

第一环节，通过情景引入，提出研究目的：测定本地重力加速度。

第二环节，采用开放性形式，各小组设计方案。(www.xing528.com)

第三环节，自由选择实验探究，测定本地重力加速度。

第四环节，交流分析结果。

2.研究实施过程

（1）提出问题。在物理学习中，经常会接触和使用一些常数。地球上不同位置的重力加速度g 不同，测量g 值在现实生产生活中具有重要意义。由此导出这次探究的任务：测量本地的重力加速度。

（2）方案设计。

阶段一：思考与讨论。鼓励学生从多个角度思考测量重力加速度的方法，讨论所提出的方法基本原理是否科学、合理。

阶段二：表达与归纳。各小组代表向全体同学表述该组讨论提出的方法与方案。

（3）实验探究。提供三组器材供学生实验自由选择进行测量重力加速度的探究，演示频闪照相法测重力加速度。根据现有器材安排三组测重力加速度实验，明确探究任务，鼓励学生在实践完成本小组的方案后，能够总结分享结果。

器材组一：滴水法测重力加速度

器材组二：用光电门传感器测重力加速度

器材组三：用单摆、光电门传感器测重力加速度

演示实验：频闪照相法测重力加速度

（4）实验结果交流分析。各小组汇报交流实验结果，并进行优缺点互评。分析测量方案选择、操作精度、数据处理方法各个方面对实验误差的影响，试提出解决方案，引导学生应用信息技术背景DIS 实验去解决实验中遇到的问题。

3.个性化提高

（1）通过误差分析，对当天的实验提出1～2 个改进方案。

（2）思考：通过当天的实际操作，请表达一下，在伽利略时代测重力加速度与我们今天使用数据采集器、传感器、电脑等一系列数字化工具测量相比，有何不同，有何感受？

4.案例反思

重力加速度的值是物理学中一个重要的基本参量，测量重力加速度在高中物理教学中具有独特的价值，在知识上它是力学各种原理的综合应用，在方法上渗透着间接法、累积法等各种重要的思想方法，数据处理中蕴含多种分析方法，情感方面可以培养学生科学严谨的治学态度。

（1）注重启发学生参与，整个课堂以学生为主体，由学生自己设计实验、操作、处理数据、得出结论，体验了完整的科学探究过程，学会了科学方法，培养了科学精神。充分利用了启发式教学优势，使教师的主导和学生主体有机结合，恰到好处地落实学习情感、实践探究和各方面能力的培养，符合新课改的要求。

（2）关注学生的认知思维，在学生已有的知识结构上学习新知识。在学生利用实验仪器探究“测定本地重力加速度”过程中，引导学生复习各种原理方法，提出了明确的思考方向后，由学生设计实验方案，完成实验操作，并运用已有的知识认真分析误差，最后归纳总结。使原有的知识在应用层次上得到提高和升华。认识到测重力加速度各种方法的本质与内涵，学生的认知水平自然上升到更高的层面。

（3）强化实施探究过程，实验中DIS 和传统实验运用合理恰当。学生在传统实验中感悟到经典物理思维的光辉，在DIS 实验中，充分体现了DIS 实验所具有的便捷、直观、实时、准确等特点。

（4）突出学习兴趣培养，产生良好学习动机，从而顺畅地进入实验探究程序。多支路并行的开放式教学，新颖的设计吸引了学生，激发了学习兴趣，改变传统的实验教学方式，使实验教学更加有效。开放性给了学生更大的选择范围，扩大了学生自主选择的余地，调动了学生的思维，创造了外动（活动）和内动（思维）双活跃的课堂。将课堂向培养创新能力的高度自然延伸，学生的学习热情和探究新知的欲望高涨，达到了“我要学、我想学”的境界。

（5）注重诱导强化方法，在实验设计中，启发学生应用累积法、图像法、平均值法、极限法等各种科学研究方法。