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智能终端设备DIS系统在高中物理实验教学中的应

作者:林真 来源:考试周刊 2019年88期
  摘 要:通过多次的外出交流真切感受到目前DIS系统,计算机技术与物理实验教学做到了真正的结合,利用该技术可以实现一般实验室不能完成的实验。本文以实际教学为例,对DIS系统的使用做了说明,希望能丰富老师的教学经验,增长学生的见识。
  关键词:智能终端DIS系统;传感器;物理实验;传统;突破;拓展
  
  物理是一门以实验为基础的研究物质结构及运动规律的自然科学。它的基本理论渗透在自然科学的许多领域,应用于生产技术的各个部门,它是一切自然科学和工程技术的基础。
  中学物理实验,根据实验的性质可划分为验证性实验、应用性实验和探索性实验。现阶段物理教材中的实验通常分为学生分组实验、演示实验、模拟实验。第一类,学生分组实验所使用的器材比较容易实现,数据容易直接测量,在教材中的地位较高,直接训练学生的动手能力。
  虽然近年来计算机在传统物理实验教学中起到了很大的作用,但大多数是模拟作用,而非真正参与实验。传统的计算机辅助模拟给教学带来方便的同时,可能滋生了部分教师的惰性,一些可以进行课堂演示的实验变成了电脑中的动画模拟,违背了物理是一门以实验为基础学科的精神,对学生造成了一些负面的影响。如何做到真正将电脑应用到物理实验教学中去呢?如今电子技术已经发展得非常成熟,我们生活中到处都能感受到电子产品给我们带来的便利,我们的物理实验教学也同样可以应用它来加强效果,因此很多学校配备了数字化实验室,也就是智能终端设备DIS(Digital Information System)。
  “DIS”是英文“Digital Information System”的缩写。在物理学中有很多物理量,如距离、位移、力、速度、温度、压强、电压、电流、磁场、光强等,都可以用DIS进行测量。DIS基本结构:传感器,数据采集器,计算机。传感器:可以测量力,位移,温度,光,电压,电流等各种物理量,并将物理量转化成相应的电信号。数据采集器:将传感器采集到的各种电信号进行处理后输入计算机。计算机:将数据采集器输入的信号(实验数据),通过主机或者计算机应用软件进行分析处理,并以多种表现形式实时显示在计算机的屏幕上。
  DIS系统的出现,让计算机真正地参与到物理实验中去。本文主要讲述DIS系统对传统物理实验的辅助应用,如何解决之前无法用传统实验解决的一些实验问题。一些发达城市比如上海等地中学物理课程标准明确提出:物理课程必须与信息技术整合,构筑信息技术平台,建立数字化信息系统实验室,这样才能使物理课程符合时代的要求。DIS是由传感器、数据采集器、计算机、实验教学软件构成的新型实验系统,它通过多种专用传感器完成相关物理量的采集,并应用数据采集器进行处理,然后上传到计算机,由实验教学软件进行实时处理分析,为学生深刻认识和理解物理实验现象与规律提供了现代化的技术平台,极大地改变着物理教学的现状。
  开课的老师提出霍尔效应的现象以及历史背景,黑板上构建了基本情景,针对霍尔效应做了非常规范细致的分析,到这里为止复习的模式方法非常常规,但是我们都心知肚明,只有掌握好了基础理论才有进一步的创新提升,才能将相似的题目,相似的模型串联起来。用磁场探测器测量了条形磁铁不同位置,不同距离的磁场强度,而且通过DIS系统采集到的数据以图像的形式展现给学生,非常的直观形象,但是站在学生的立场,这个探测系统似乎不能够让他感到信服,毕竟还不知道探测系统的工作方式,工作原理。可以借机提出为什么该设备能够测量磁感应强度,这就跟今天的课程大有关系,让学生觉得学有所用,让学生猜测该磁场探测的核心部件原理。
  DIS系统中的磁场探测器核心部分就是霍尔元件,随着分析的推进同时提出该元件的组成部分,如何对该元件供电?接下来的学生的回答让我们觉得这节课对学生的引导上收效巨大,学生通过老师的实验演示,通过与之前的试卷习题相关联,以及霍尔元件的原理分析,他们真的可以将带电粒子在磁场电场中的运动问题有机地结合起来,达到了很好的复习效果,做到了事半功倍,舉一反三的效果。
  传统的小灯泡伏安特性曲线的实验方案也可以改造成使用DIS系统。将电源,开关,小灯泡和电流传感器串联起来,当闭合开关后从电脑显示电流开始短时间较大而后稳定,这是为什么?用普通的电压电流表不好体现,因为普通的电表的指针不大稳定容易受到外界因素干扰,而用DIS系统能非常直观地展示电压电流随时间的变化,而且这个现象完全可以以试题的方式出现,考核温度对电阻的影响。
  当然对于弊端方面,笔者个人觉得用DIS系统固然获取数据快,分析快,但是它跳过了实验的原理,所以在某种程度上跟传统的实验对比削弱了学生的实验分析能力,对于传统实验很难测量的物理量,DIS系统有着非常大的优势。
  数字信息化系统实验在高中物理教学中的应用逐日增多,地位也提升,很多老师都采用传统实验与DIS系统结合的形式展现了一节节公开课,给我们留下了深刻的印象,作为一名中学物理教师不能只把眼光停留在课本上,我们应该多多学习交流,把握层出不穷的最新的科技前沿,开发更多的探究性实验,在教学上应该以学生为主体,我们要多加以引导启发,提升他们的物理兴趣,提供给他们良好的学习创新开发的环境。
  为了提高学生的自我探究能力,创新能力,我校建设了物理探究实验室,配备了DIS系统,给学生提供了更多自主研究的空间。老师在让学生熟悉传统的实验基础上,带领学生进行DIS实验的应用与开发,让学生适当地接触电子技术,了解工业生产中所用到的一些方法以及技术手段,相信通过这些探究实验能充分调动学生学习物理的积极性,进一步端正做科学实验的态度。
  比如以前在简谐运动以及单摆部分的教学中,我们是利用水平气垫导轨上演示弹簧振子,我们大多数是用眼睛观察感受振子在运动中的粗略的位移和速度变化,做一些简单的定性分析判断,更别说能很好地得到回复力,位移,速度随时间的变化图像,总让人感觉到意犹未尽。在单摆实验中我们教材上提供了一个传统做法,利用沙漏的摆动记录简谐运动的图像,利用频闪照相的方法研究运动,这些方法虽然思想上还是很不错的,但是在教学中的操作性都不强,效果不大理想。现在这种状况可以得到很好地改善了,我们可以利用力,位移和速度传感器采集数据进行定量的分析,如图1通过安置力和位移传感器对弹簧的简谐运动进行了快而准的分析,采集到的数据直接通过软件以 F-t,S-t和V-t的形式呈现在学生面前,而且让他们感到惊讶的是随着时间的进行,图像是有节奏实时绘制的,效果非同凡响。当然我们还可以在学生掌握基础操作情况下对学生进行适当的引导,为什么图像幅度随着时间的推移会逐渐发生变化,如何设计改造实验研究单摆的运动,如果增大砝码质量,改变弹簧等因素,图像会如何变化呢?利用课余时间我带领学生进入探究实验室,给他们培训了探究设备的使用方法,计算机软件的操作等等,实验过程让我高兴的是,整节课学生斗志昂扬,表现出极高的兴趣,同学之间互相配合协作交流探讨,对实验做了很多的变化改造,这不就是新课程下老师最喜欢看到的一面吗?
  前不久,笔者带领学生利用了DIS系统对二极管做了一定的探究,对二极管的伏安特性做了较为深入的测试,并开展了一节信息技术与课程整合公开课《初探二极管》。伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U,以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。这种图像常被用来研究导体电阻的变化规律,是物理学常用的图像法之一。如图2我们对传统的电路进行改造,,可以非常方便迅速地调节二极管两端电压,并获得实时的电压和电流数据,对于得到的大量数据不便于人工处理分析,可以通过DIS对应的软件将数据和excel进行对接,利用excel我们很容易拟合出二极管的正向伏安特性,个别同学利用课余时间还分析了二极管的反向的伏安特性。通过这次与DIS结合的基础实验,同学们对实验本身原理有了更加深入地了解,同时还掌握了DIS系统的使用方法,以及简单地使用计算机软件处理数据,大大提升了他们对物理的热情和兴趣。
  作者简介:
  林真,福建省福州市,闽侯县第一中学。

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