物理DIS实验对学生能力培养研究：以探究气体压强与体积关系为例

2013-09-08王丽玲

中国教育技术装备 2013年27期

◆王丽玲

作者：王丽玲，南京师范大学教师教育学院研究生，主要研究方向为学科教学（物理）（210046）。

1 问题的提出

随着科学技术的不断发展，教育改革几经风雨，现代教育技术在教学中的地位有了很大的发展。物理作为一门以实验为基础的科学学科，在新课改的影响下，实验教学的认识和方法也有了很大的进步，学生的主体性逐渐得到重视。我国教育部2003年颁布的高中物理课程标准中提出：“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。”[1]新技术DIS（Digital Information System，数字化信息系统）实验在物理实验中的广泛运用，将物理教学改革推上一个新的平台。现行的高中物理教材中就介绍了大量用传感器进行的物理实验。

在对教学实践的研究中发现，在物理课堂教学中引入DIS数字实验系统，对新课改教学目标的实现有很大的促进作用。文章列举“探究气体压强与体积关系”的DIS实验分析，论述DIS实验对学生能力培养的积极作用。

2 DIS的定义及组成

DIS实验系统是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机”构成的新型实验系统，利用计算机接口技术进行相关物理量的采集、测量、记录及处理等，实现联合计算机技术的中学物理实验设备的开发[2]。其中传感器主要包括位移、温度、压强、电流、电压、力、声波、磁等多种传感器，它们实时地动态测量各种物理量并把它们转化成电信号送入数据采集器，数据采集器将采集的电信号输入计算机，最后由计算机对数据进行处理并显示。

DIS实验系统不仅可以完成传统实验，而且可以克服传统物理实验仪器的各种弊端，完成一些传统实验很难进行的实验，从而实现信息技术与物理教学的全面整合，有利于培养学生科学的实验精神。

3 实验研究

1）实验目的：验证玻意耳定律。

2）实验原理：当温度T不变时，一定质量气体的压强与体积的乘积为定值。即：P-V图线是双曲线的一支；P-1/V图线是一条经过原点的直线。

3）实验仪器：计算机、数据采集器、注射器、压强传感器。

4）实验装置如图1所示。

图1

4 DIS实验对学生能力的培养

4.1 实时处理数据，减轻负担，激发兴趣

在实验过程中，学生将压强传感器与数据采集器连接，通过压缩注射器，实时记录注射针筒中压强数值的变化，如表1所示。

表1

学生处理信息的能力和时间是有限的，DIS对信息的实时记录、处理都很准确，提高了课堂效率，节省了时间，让学生有更多的时间去思考、探究实验中的现象和问题。在传统实验中，为了培养学生的动手能力，要求学生多次测量数据，并且进行数据处理。但这样会导致学生在实验过程中花费较长时间做重复劳作，反而对实验中可能会出现的问题没有太多的时间去分析和思考，丧失学习的主动性和探究性[3]。DIS有效促进了物理教学的高效进行。

4.2 动态展示现象，促进物理知识学习

DIS不仅在实验设备和数据采集上改进，还融入表格、图像等具有表象性的形式来显示和处理数据，直观地揭示所要研究的物理量之间的关系,如图2、图3所示。

图2是压强P与体积V的函数关系，图3是压强P与体积的倒数1/V的函数关系，学生一眼就可以看到气体压强与体积的倒数是正比例函数关系，即线性关系，从而理解并得出结论：气体压强与体积的乘积是定值。

图2 P-V

图3 P-1/V

传统的教学很多时候不能与实验结合，形象显示物理现象。运用DIS可以向学生展示事物之间的本质关系，使学生更加容易理解实验原理和规律，有利于学生对所研究物理量之间定性和定量的探究。直观的视觉感受，在学生建立知识体系的过程中更具有说服力。

4.3 放大实验误差，锻炼学生科学实验

在习得理论知识的基础上，教师可以引导学生再一次仔细观察实验所得数据，并放大实验图像，提出疑问：按照玻意耳定律，气体压强与体积的乘积是定值，那么P-1/V的图像应该是严格的正比例函数，如图3所示，为什么实验得到的图像却不是过原点的？

学生也许会很快想到实验中由连接注射器与压强传感器的橡胶管所带来的明显的系统误差，会影响到气体体积的正确记录。教师可以指导学生修正橡胶管内的气体体积，画出V-1/P的图像，则截距就为橡胶管内的气体体积。重新实验，得到图像如图4所示。

图4

图5

虽然实验图像修正不少，但是还是存在一点儿误差，那是因为实验中操作不完善带来的系统误差。这种不是很显性的系统误差是学生很少会注意到的。这时就需要教师进一步让学生体验实验的方法和过程，通过探索和质疑，引导学生对注射器初始体积这一因素对实验的影响进行思考。学生可以在比较的实验中，发现注射器的初始体积越大，实验的误差就越小，最后得到相对比较理想的实验图像，如图5所示。

运用DIS实验辅助物理教学，能够即时点出实验中的问题，促进学生的思维碰撞，使得学生能够充分进行科学探讨，有助于培养学生多视角观察和分析，锻炼学生实验的科学性。

4.4 学生自主实验，培养实验创新精神

基于DIS的物理实验，激发学生探索的兴趣，注重实验探究过程中学生的主体地位，培养学生主动探索、擅于思考的科学态度，从而为学生的创新打下基础，这与新课改的理念是相一致的。《普通高中物理课程标准》指出：高中阶段的物理课程要给学生提供必要的科学探究机会，让学生通过自己思维、动手实验、查阅文献等，体验探究过程的曲折和乐趣，发展科学探究的能力，增强对科学探究的理解[1]。

图6

教师可以给予学生一定的时间，让学生再思考其他可能影响实验的因素，比如：是拉伸注射器活塞的实验效果好还是压缩好？比较效果如图6所示。

图6是拉伸注射器活塞的实验P-1/V图像，可以与图5比较得到结论：在同等情况下，压缩活塞的实验误差较小。

教师还可以引导学生思考：怎样用注射器和力传感器测大气压强？

把学过的知识运用到实验中，有利于培养学生的知识应用能力和创新思维能力。自主设计实验过程可以让学生对生活、生产、自然现象产生兴趣，为创新提供思想基础，让学生养成遇事就要思考的习惯，长期的思考习惯能催生新的创新因子[4]。物理教师在教学过程中不仅要激发学生的学习兴趣，更要注重发现学生的创新因子，引导学生形成创新能力。