DISLab在物理实验教学中的应用-精选教育文档

1、DISLab在物理实验教学中的应用2001年中华人民共和国教育部公布的?根底教育课程改革纲要试行?明确指出,要“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用,促进信息技术与学科课程的整合,逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革、充分发挥信息技术的优势,为学生的学习和开展提供丰富多彩的教学环境和有力的学习工具.?纲要?强调信息技术要进入课堂,要与各学科融合,这是时代的要求,是全球信息化的必然趋势.全球信息化影响了人们的生活方式、思考方式和工作方式.借助信息技术,人们可以快速地搜集所需的信息,分析和解决问题.信息素养将是一个现代人应有的素质,因此,物理课程改革应注

2、重将现代信息技术应用于物理教学.物理学是一门实验学科.物理概念的形成、规律的发现、理论的建立都依赖于物理实验.而传统的物理实验几乎没有将信息技术结合起来使用的.在投影仪上完成传统物理实验的多媒体教学曾一度让人眼前一亮,但还未真正实现物理实验与信息技术的融合.多媒体课件和视频为传统教学提供了前所未有的真实场景、创设了生动的问题情境.信息技术的利用完美地再现了物理过程,从而优化了课堂教学过程.新课程改革要求“改变课程实施过程中过于强调接受学习、死记硬背、机械练习的现状,倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手、培养学生搜集信息和处理信息的水平、获取知识的水平、分析和解决问题的水平以及交流与合作的水平.

3、因此国家教育部提出,要“重视将信息技术应用到物理实验室,加快物理实验软件的开发与应用,诸如通过计算机实时测量处理实验数据、分析实验结果等.在这样的背景之下,上海教研室、上海风华中学与山东远大网络媒体责任公司联合成立了上海市中小学数字化实验系统研发中央,最终开发出了计算机和传感器结合的数字化信息系统实验室,即“DISLab"o由于DISLab实验的教育功能和教育的理念很好的反映了新课程改革的理念.因此DISLab也相继被编入了普通高中物理的各版教材,成为信息技术与物理课程整合的优秀载体.作为优秀载体的Dis(DigitalInformationSystem)实验技术是由“传感器+数据采

4、集器+实验软件包+计算机构成的新型实验系统.其中,传感器主要包括力、位移、电流、微电流、电压、磁、声、温度、压强、光电门等多种传感器,它们的主要功能是实时地将所测物理量的信号转化为模拟的电信号输入数据采集器.数据采集器通过串行方式直接与计算机通信,同时将采集的数据进行模数转化,变成计算机能识别的数字信号.DISLab的实验软件包括教材专用软件和通用软件两种.教材通用软件是根据现行教材实验研发的不可自主调控的实验,包括力、热、光、电中教材所要求的可用DISLab操作的实验.由于界面中物理现象与规律的显示方式已被设计好,不能更改,因此只要接入相应的传感器,采集相应的数据就可以直接显示实验的结果,使

5、用既方便又简洁.教材通用软件可自定义许多数据处理的要求,如实时采集数据的频率、图象实时组合显示方式、用数学函数进行图象拟合、用自定义物理规律进行数学计算等扩展功能,可以使物理规律的研究过程更富自由度,更能发挥人们探究物理规律的想象力,表达人们探究的独创性.显然,DIS实验技术可以更方便而迅速地实时采集数据输入计算机进行多元化分析处理.DIS实验技术中的多类型传感器、多通道数据采集器、多样化自主操控平台和强大的函数图象处理是DIS实验技术具有的主要技术特征.借助这样的技术,融合了传统实验的DIS教学显示出了强大的优势,发挥出了独特的教育功能.一、DIS实验提升了物理演示实验的效果传统物理演示实验

6、的实验设备绝大多数是以十八、十九世纪的物理学知识作为理论支撑设计的,如秒表、米尺、弹簧秤、天平、电流表、电压表、机械式打点计时器、温度计等.这些仪器已经被使用了几十年甚至上百年,它们虽然见证了历史但却已无法跟上现代实验教学的步伐无法满足现代实验教学的要求.实验仪器的读数仅靠人眼观察和手工记录操作不仅耗时而且精确度不高,实验效率低下.另外,可视性差、读数误差大、精度低等缺乏将严重影响学生对物理规律的理解深度.DIS实验在传统实验的根底上用先进可靠的测量手段改变了物理实验的教学方式,更新了学生探究物理规律的思考方式.它利用计算机和传感器等二十世纪下半叶的高科技技术装备,实时采集传统实验仪器和现代实

7、验装置中的力、热、光、电信息,并将其转化为数字信号,输入微型计算机之后由终端软件进行数据的计算处理和图象分析.利用传感器感知实验中的物理量,数据采集速度快、读数精度高,大大地提升了实验的可靠性与精度.比方,在研究牛顿三定律时,利用两个传感采集它们相互作用时不同运动状态下的实验数据,进行作用力与反作用力的实时比照,我们会发现无论是在静止还是匀速、匀加速、匀减速、磁撞等实验中,相互作用的两个物体间的作用力与反作用力大小相等,方向相反.这样的实验与传统的实验相比,大大地提升了实验的速度、精度,从而具有更强的说服力.利用数据采集器进行模数变换,DIS实验成为了实现物理课程与信息技术整合的桥梁,使利用计

8、算机实时分析处理数据成为可能,大大地提升了课堂教学的效率.比方,牛顿第二定律的探究实验,要采用限制变量的思想进行实验,传统的实验装置要记录大量的实验数据,然后应用描点法作出图象,分析a与F、a与m的关系.数据记录的繁琐、重复实验的耗时、数据处理的难度使实验教学效率低下,而在传统实验的根底上加入光传感器后,利用光传感器测物体运动的瞬时速度,使实验操作方便、快捷,大大节省了数据处理的时间,提升了实验的效率.二、DIS实验拓宽了物理演示实验领域与传统的实验仪器相比,DIS传感器种类齐全、技术新、精度高、性能可靠.如表1为局部DIS传感器的技术参数.DISLab测量精度高,能更清楚地显示可见度小、变化

9、微小的物理过程.比方在研究人体的微弱的生物电、导线切割地磁场产生的微电流、微弱的磁通量变化产生的感生电流、物体的微小的形变等实验时,传统的实验仪器无能为力,而利用精度更高的传感器可以将物理的变化过程更为形象地显示出来,加深学生对物理概念和规律的理解,更深地感悟科学的思想方法.DISLab实验技术每秒钟可利用传感器采集10-2000个数据,信号以光速从传感器传递到微型计算机,而现代的微型计算机强大而快速的数据处理功能使物理实验中实时采集处理数据成为可能,并将瞬变的物理过程中变化的物理量绘制成实时的动态变化图象,从而形象地揭示物理规律和物理现象的本质.比方,在超重与失重、自感现象、电容的充放电、交

10、流电机发电的电流变化规律等暂态的实验中,利用传统实验依然无法进行研究,而DIS实验绘出的图象却能清楚地反映出实验过程中物理量的变化规律,从而有利于学生更好理解物理概念和规律.三、DIS催生了新的学习方式和教学方式建构主义学习理论认为,知识不是通过教师传授的,而是学习者在一定的情境即社会背景下,借助他人包括教师和学习伙伴的帮助,利用必要学习资料,通过意义建构的方式获得的.“情境、“协作、“会话和“意义建构是建构主义学习环境中的四大因素,建构主义认为,学习总是与一定的情境相联系的,学习者在实际的情境下利用自己已有的认知结构中的有关经验去同化与顺应所学到的新知识,并赋予新知识某种意义,如果原有经验不

11、能同化新知识,那么要重组原有知识结构.创设有意义的问题情境,可调动学生学习的积极性,促使学生主动质疑、探究、讨论,积极主动去尝试有意义的建构.物理学是研究自然界的物质结构、物体间的相互作用和物体运动最一般规律的自然科学.学习物理学的目的就是为了在研究自然与宇宙的过程中寻找利用自然、改造自然的思考方式.物理学之所以被人们公认为一门重要的科学,不仅仅在于它对客观世界的规律做出了深刻的揭示,还由于它在开展、成长的过程中,形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系.诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩曾这样评价自己的工作,与其说是由于我发表的工作里包含了一个自然现象的发现,倒不如说是由于那里包含了一个关于

12、自然现象的科学思想方法根底.因此在物理学习或教学过程中,我们更应注重学生物理学思想和方法的培养.?根底教育改革纲要试行?要求教育要“改变课程过于注重知识传授的倾向,强调形成积极主动的学习态度,使获得根底知识与根本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程."DISLab-一一种探索物理世界的新工具,它有效地改变了中国长期以来所形成知识传授式的教学模式和死记硬背的学习方式,它进入高中物理课后不仅提升了教师的信息素养、丰富了教师课堂教学的方式,同时学生学习物理的思维方式也发生很大的变革.比方：交变电流的第一节内容涉及到产生正弦式交流电条件的问题.通过理论推导,我们得到产生正弦式交流

13、电的条件是：线圈在匀强磁场中以垂直于磁场的定轴以恒定的角速度转动.由于在推这一结论时,我们习惯性用如图1所示的交流发电机来说明电流方向的变化,于是很多学生也习惯地认为该交流发电机产生的就是正弦式交流电.其原因在于灵敏电流计无法分析出该交流电的大小方向的变化快慢的情况,而只能知道是否在变.而用DISLab电流传感器代替灵敏电流计实时采集电路中的电流,并对所记录的数据进行分析,结果令所有的学生惊讶如图2,该交流发电机产生的并非正弦式交流电.此时,实验结果与理论推理的矛盾促使学生主动去思考,寻找问题的原因,唤醒了学生的求知欲.再比方,热力学第一定律涉及到做功可以改变物体内能问题.传统的实验利用快速压

14、缩空气使火柴头燃烧实验能说明做功可以改变物体的内能.而如图3实验利用灵敏温度计感知胶塞冲出容器口的温度,这个实验就很难成功,由于温度变化太小.而用DISLab温度传感器代替灵敏温度计对容器内温度进行实时的监测,从开始充气一直到活塞冲出容器为止利用传感器记录数据,用图象法进行处理,就能得到如图4的变化规律.通过对微小物理量的感知,学生体验到了物理过程的精密,从而提升了学生对待问题的质疑水平,培养了学生分析问题的谨严精神,提升了学生的学习兴趣.凭借这样的优势,DIS成为了创设生动、有趣、深刻的物理情境的优秀载体,成为了转变物理学习和教学翼念的核心骨,营造出了良好的探究学习的气氛.生动、有趣、深刻的物理情境引导学生积极进行质疑思考,由被动的、单一的学习方式向自主探究、主动思考、合作交流的多样化学习方式转变