利用DIS实验打造高效课堂

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

黄连凤 施生晶

摘   要:随着信息技术的发展, DIS 实验进入高中物理实验课堂将是一种趋势,在具体的教学实践中,充分发挥DIS实验教学在物理教学中的作用,需要教师精心设计每个实验教学环节,利用实验来打造物理高效课堂。

关键词:物理实验;DIS实验;高效课堂

科学技术快速发展,物理实验的展示形式越来越多样化,DIS 实验运用了现代化信息技术,是由“传感器+数据采集器+计算机”构成的新型“数字化信息系统”[ 1 ]。为了打造高效的高中物理实验课堂,笔者将DIS实验与传统实验进行结合,充分调动学生学习的积极性,打造高效课堂。

1  打造高效课堂的重要性

构建高中物理高效课堂,是新课程改革与素质教育发展下不可阻挡的“新潮流”和新趋势,是每一位物理教师在教学中的核心任务与重要目标。物理是一门基于实验和观察的自然科学。教师要在四十分钟左右时间内,不仅要将课堂内容、理论知识讲解透彻,还要向学生展示实验,甚至还要学生动手操作,直观、准确得到实验结论,这就要求教师在课前精心准备,准确挑选最适合的实验仪器和展示方式,来达到课堂效率最大化。因此,高中物理教师要更新观念,并且直面困难,学会从物理学科的基本特性和现实学情出发,努力寻求突破,运用各种动态情境,引导学生积极思考,鼓励学生合作学习与开展实验教学,利用现代化、数字化教学仪器等教学方法和策略,优化物理课堂教学过程,努力提高学生学习的效率,推进高中物理高效课堂的建构与实施,促进学生的全面发展。

2  传统教学实验在探究性实验中的局限性

在信息技术不够发达以及学校经济条件不充裕时期,高中物理教学中一直以传统实验教学为主。传统的实验教学往往讲解方便,操作简单、手段单一,但是受外界因素以及学生操作能力影响比较大,实验的数据处理显得特别繁琐,常耗费大量的人力物力和时间,实验结论却不太理想。

例:在“探究加速度与力和质量的关系”实验中,传统教学中在塑料桶内加沙子使小车加速下滑,在小车尾部安装纸带,通过计时器记录小车运动情况(如图1)。具体实验步骤如下:(1)测出小车的质量和桶的质量;(2)如图1安装器材;(3)平衡摩擦力;(4)保持小车及车内砝码的质量不变,改变沙子的质量,每改变一次质量打出一条纸带;(5)算出每条纸带对应的加速度;(6)保持沙和桶的质量不变,在小车上增减砝码,每加一次砝码打出一条纸带,算出每条纸带对应的加速度。利用纸带记录的信息(如图2),用逐差法求加速度,即 a=。

实验探究前需平衡摩擦力,要观察纸带上相邻的点是否均匀分布,或者测量每两点间距是否相同,判断摩擦力与重力沿斜面的分量是否平衡;未达到平衡时,要反复移动垫块位置,操作多次才可能达到平衡;实际情况测量操作误差较大,难以达到绝对平衡。实验完成后要进行数据处理,每条纸带用逐差法求解加速度一次,假设一种情况做四组数据,探究两个实验,则需要求八个加速度的值;求加速度前还应先用直尺测出每段间距。实验过程中测量的工作量很大,实验数据处理复杂、计算量大,耗时长,教师进行授课时,以致于一堂完整的实验探究课,不得不将实验过程和实验结论分析分成两节课来完成,使得教学无法连贯,教学效果不佳,而且由于操作过程中摩擦力的存在和数据测量误差大,作出的a-以及a-F图象不太理想,得出的结论说服力不高。

3  DIS实验教学的高效性

3.1  DIS实验器材简介(见表1)

3.2  教学中融入DIS实验,打造高效课堂

因传统实验存在的不足,为了提高课堂效率,教学中融入DIS实验,利用自动化数据处理的传感器和数据采集器;利用计算机智能化数据处理,代替学生的手工记录、采集和分析物理实验数据的过程,减少人为因素导致的实验误差和错误[ 2 ]。

例:在“探究加速度与力和质量的关系”实验中,将传统的计时器改为图3中的G1、G2两个光电门,将学生手动记录数据的表格改为计算机桌面上的“Lab studio”软件。

打开 Lab studio软件,将数据采集器与光电门、计算机连接好。(1)DIS实验用数据采集器自动采集时间信息:I型挡光片通过两个光电门(图3中G1、G2)所用时间(分别为图4、图5中的闸时间栏和闸时间1栏);以及挡光片通过两个光电门之间距离所用时间(图4、图5中的时间栏),时间数据自动记录在表格中。(2)平衡摩擦力的判断。传统实验要反复比较打印出来的纸带,判断纸带上的点是否分布均匀,DIS实验只要比较闸时间和闸时间1是否近似相等;表格中时间数据直观,学生平衡摩擦力的过程变得快速而且误差很小。(3)设定加速度与力的关系表格、加速度与质量的关系表格,分别探究a-F的关系和a-M的关系。在传统实验中分别通过改变外力(往拉小车的小桶中逐一添加沙子)和小车质量(在小车上逐一添加砝码),多次让小车拉着纸带前进,用打点计时器在纸带上记录小车的运动情况,每实验一次得到一条纸带,再将每一条纸带上的点作数据处理,分析得出a-F的关系和a-M的关系。在DIS实验中,在改变拉力和小车质量的实验过程中,将不再使用打点计时器,小车后方也就不再需要拉着纸带前进,大大减小了小车前进的摩擦力,也不再存在卡纸,纸带装歪,或纸带上的点太少等影响实验的系列问题;实验数据也不再需要人工数据处理,而是数据采集器和计算机自动化处理数据,数据将直接显示在相应的表格中:加速度与力的数据(如图4)、加速度与质量的数据(如图5)。

Lab studio软件如何自动处理数据,得到小车的加速度呢?(1)因I型挡光片宽度很小,通过光电门(图3中G1、G2)的平均速度近似等于它在光电门处的瞬时速度,得到图4、图5中的速度1和速度2对应的数据,求出小车通过2个光电门时的瞬时速度。(2)小车从光电门G1到光电门G2做匀加速直线运动,所以有:加速度=,速度1=,速度2= (d为I型挡光片的宽度)。

DIS实验不但可以自动化收集和处理数据,还可以将实验得出的数据自动化处理得出各物理量之间的图象关系。例:在“探究加速度与力和质量的关系”实验中,图4中设置a-F的关系,以及图5中设置a-M关系,实验操作过程中通过图象显示物理量的关系,实现实时反馈,整个实验过程清晰明了,数据准确,现象直观。实验数据处理后的图象如图6和图7(左);由于加速度与M的关系图象显示为曲线,不易得出结论,因此需要学生继续探究,思考如何转换为最直观简单的关系图线,教师引导学生设置加速度和的关系图,得到图7(右)。

学生通过分析图象(图6和图7)可以得出实验结论:小车质量一定时,加速度与力成正比;合外力一定时,小车加速度与质量成反比。

4  传统实验和DIS实验比较(见表2)

DIS实验减少了大量数据的反复计算和处理过程,传统实验在一节课时间无法完成的工作量,在DIS实验中不但能够完成,而且效果好,提高了课堂效率;DIS实验实验器材能更好的提高学生学习和动手操作的兴趣,让学生积极参与探究实验过程[ 3 ]。让学生通过Lab studio软件设置表格和图象的过程,进一步了解实验原理,真正达到让学生自主讨论、自主探究,有效培养学生合作学习,不断探索,坚持不懈的科学精神和创造能力;在提高学生动手能力的同时,让学生分析图象及时总结,也提高了学生综合分析能力和语言表达能力。随着科学技术的不断发展,DIS实验逐步进入高中物理课堂已是必然趋势。

在物理教学中,新时代的教师应融合DIS实验,改进实验,进行创新,让实验更有趣,現象更明显,努力引导和鼓励学生合作学习,让学生学会DIS实验设计并制作创新实验,为学生终身发展打下基础。

参考文献:

[1]余雪妹.高中物理DIS实验与传统实验整合初探[J].物理教学探讨,2011(9):29-32.

[2]李海涛.巧用多媒体提升小学数学几何图形教学质量的问题研究[J].课程教育研究,2018(33):122-123.

[3]施生晶.自制教具 促进教学[J].物理通报,2019(8).105-107.