物理实验与科学探究是物理课程和物理教学中的一个重要组成部分。在习近平新时代中国特色社会主义思想指引下，以中国学生核心素养发布为背景，教育已然迈向崭新台阶。上海作为超大城市，教育改革、深化、发展也正迎来新一轮升华。聚焦上海中学物理教育，始终坚持立足理论树立学生的科学精神，通过合作化解阻力推动社会参与，围绕科学探究及学生经历奠定学生持续发展基础。

随着上海课程改革推进，早先引入教材的“数字化实验系统(DIS)”，基于诸多方面的创新、实践和完善已植根于中学物理课堂，并积累了丰富的案例与心得。这得益于它保留了传统的物理学研究方法，与数字化信息技术和软硬件平台相结合，挖掘了前沿信息技术在物理教学过程中的价值。

笔者长期工作在中学物理教学一线，在教学中运用了这项实验技术，帮助学生建立物理概念、丰富科学探究、树立科学价值观。如何将其特点与传统实验互补并优化学生学习物理的过程是一个值得探索和反思的课题。

《上海市中学物理课程标准解读》指出：“实验是物理学基础，它赋予了物理学科的思想和内容，促进了物理学发展，同时其自身也是不断发展的。”身为物理教师，笔者经历了上海的二期课程改革，通过对中学物理学科数字化实验系统的实践应用，深刻领会到了研究手段信息化、学习过程自主化、合作交流常态化的独特优势。

一、数字化实验系统(DIS)的特点与优势

数字化实验系统的基本结构为“传感器+数据采集器+计算机分析软件”(如图1所示)。它用传感器取代了传统测量仪器，例如：测力计、温度计、电表等，能够采集力、热、声、光、电、位移、磁感强度等物理量的大量即时数据，通过采集器输送进计算机，由PC分析软件或移动端APP实现实时处理并显示(含绘图)，具有真实性和趣味性。物理课程与信息技术整合能够更高效地处理、分析、评价在物理实验和科学探究过程中所获得的大量可靠信息，进而适应“大数据与互联网+”等社会信息化发展趋势。系统还能与传统实验器材兼顾使用，使学生的科学探究过程更简便、直观，高效。

图1 朗威DISLab V8.0系统构成及其实物图与软件界面

在上海教育出版社八年级《物理》教材的配套学习活动卡中，探究二力平衡的条件是一个重要的学生实验，且二力平衡的条件的学习水平为掌握(C)级，其探究过程既运用了传统物理实验方法，也介绍了如何用DIS探究二力平衡的条件，《上海市初中物理学科教学基本要求》(2017版)和《九年义务教育中学物理实验手册》(2015年版)均将该实验收入其中。

表1 传统实验与DIS实验对比(一)

表1(续)

通过以上对比与说明，可见DIS实验过程与结果既可以丰富学生的学习经历，验证传统实验所获结论，也可以是传统实验的补充与完善，体现了一定的优势。

表2 DIS实验的优势

二、DIS 实验在初中物理教学中的运用案例

1.案例1：探究滑动摩擦力的大小与哪些因素有关

关键问题：如何在物体保持匀速直线运动期间，多次记录滑动摩擦力的大小以便分析其与影响因素间的定性或定量关系。

操作难点：(1)用弹簧测力计匀速拉物块沿直线运动时，存在不稳定性，使得读数误差较大、即较难实现拉力F拉等于滑动摩擦力f；(2)物体做匀速直线运动期间，需记录每一时刻的滑动摩擦力f，数据较多，帮助学习者得出结论。

表3 传统实验与DIS方案对比(二)

图2 朗威DIS摩擦力实验器及专用软件操作界面

该做法可以帮助学生更准确地测出滑动摩擦力的大小，加深理解“f=F成立的条件是以静止或匀速直线运动为前提的，并通过图像直观发现滑动摩擦力的大小变化以及与各研究因素之间的定量关系，巧妙化解了实验难点。

2.案例2：探究不同物质的吸收的热量与哪些因素有关

关键问题：传统实验仪器的规格不同，如：烧杯厚薄、温度计尺寸、酒精灯火力等，且容易出现配套件数不够的问题，有限的器材难以达到科学探究所期望的要求(尤其是有定量要求的实验)。

操作难点：点燃酒精灯加热不同液体时受热缓慢且不均；实验过程中需多次读取末温，计算温度变化量，难度较大，容易出现学生还未读完、记完就已经错过此时的示数(吸热过程具有不可逆性)等情况。

表4 传统实验与DIS方案对比(三)

学生在进行该实验时，再一次表现出对新事物旺盛的求知欲。在实验设计环节，学生都能快速制订出方案，解决了教师的困惑：“为什么传统实验很难顺利得出我们所盼望的定量结论和物理概念？”(如图3为本实验的DIS设备与传统器材装配对比图)

图3 传统实验装置与DIS实验装置

图4 朗威DIS专用软件预设坐标轴—比热容

3.案例3：测定标准大气压强的值

关键问题：本节课目的之一是测量大气压强的值。在传统实验中，托里拆利实验所用的器材复杂，实际操作难度大，如：水银有毒、玻璃细管1米太长等。

操作难点：托里拆利实验测定大气压强的值，这一实验过程学生很难在一堂课内顺利完成，且具有一定的危险性，教师授课时如何寻找一种可行的实验方案准确地测出大气压强的值呢？

表5 传统实验与DIS方案对比(四)

本节课由上海市普陀区江宁学校赵佳珺老师授课，教师巧妙地利用了力传感器量程大、数据准、易操作的特点，使原本以教师演示居多的托里拆利实验演变成了可由全体学生亲手操作的科学探究实验，真正做到了物理课程与信息技术相整合，让聆听师生眼前一亮，凸显了DIS数字化实验室无限可延伸的广阔平台。

三、数字化实验系统在物理教学中引发的困惑

1.如何兼容传统物理实验

利用经典物理实验探究问题是培养学生进行科学思考的一种重要途径，但若传统实验中出现难点时，引入数字化实验系统便可以解决教学中出现的技术难题，将会使学习者更容易理解概念、规律的形成过程。因此，该技术意义在于优化物理学知识形成过程，使学生获取知识的过程不再单一、局限。

2.如何发展科学学习思维

数字化实验系统可以削减学生的主观因素对实验的影响，课堂中留出更多时间和更大空间让学生关注过程和方法，进而引导学生建立新物理量和得出新物理规律。随着数字化实验系统的普及，如何引导学生关注思维过程，需要我们继续思考。

3.如何评价学生学习过程

数字化实验系统虽暂不作为学生学业水平检测的内容，但随着高中阶段更高的实验要求，需要实践者和学习者预先有所接触，正因为其在使用过程中有大量问题产生，给了师生多元的评价方向，同样需要继续探索。

四、数字化实验系统的前景与深化应用

当课堂被愈来愈多的新理念冲击时，正给予实验这一传统手段持续不断发展的信号和动力。当前，DIS实验项目已经几乎覆盖了上海全中学阶段、全科学学科的探究领域，盼望这项技术能使教师与学生像科学家进行科学探究那样，让实验的创造性和魅力更充分地显现出来，尤其是学生在亲身经历的过程中积极动脑、动手，体验科学家研究的过程和方法，从中获得乐趣和成就感。

未来，盼望能在DIS数字化实验系统的发展进程中看到更多的技术更新，如：尝试建设以DIS数字化实验系统为核心的专用实验室，为教师、学生提供更广泛、深入从事科学探究的硬件技术支撑。