高中物理教学论文 新课程下物理教学的一缕清风-谈DIS在物理教学中的应用

高中物理教学论文 新课程下物理教学的一缕清风-谈DIS在物理教学中的应用

新课程下物理教学的一缕清风-谈DIS在物理教学中的应用 ‎ 摘要：‎ 新课程下的物理课程标准要求通过多元的课堂教学方式，开发每个学生的潜能，满足每个学生的需求，促进学生的全面发展，培养学生的创造性。这对教师提出了更高的要求,这既是“挑战”也是“机遇”。那么如何培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力呢？笔者以为教师要设法创设情景，唤醒学生的好奇心，让学生参与课堂讨论与研究，但是这样的讨论往往比较费时，尤其是传统的物理实验数据的采集、测量、处理占时较长比较繁琐，而新课程下物理课时也有所减少，如何处理这一矛盾呢？数字化实验（DIS）的出现正逢其时，它较好的解决了这一问题，本文从自己的教学实践谈谈对数字化实验的认识。‎ 关键词：新课程物理教学DIS 一、背景：‎ 新课程改革已经在我省实施了三年，实践表明课改的成果是显著的。新课程改革是一场教育理念革命，要求教师＂为素质而教＂。在教学过程中应摆正“教为主导、学为主体”的正确关系，树立＂为人的可持续发展而教＂的教育观念，完成从传统的知识传播者到学生发展的促进者这一角色转变。在＂以学生发展为本＂的全新观念下，教师的职责不再是单一的、而应是综合的。作为课堂学习的指导者、组织者以及学生在探究性课题上的合作者，教师应关注每一个学生的个性发展，增加体验与感悟，着眼于构建学习兴趣，探究知识结构，引导学生积极参与教学过程，让其获得情感体验、知识积累以及自我探究的内在需求，重视创新精神与实践能力培养。在教学过程中，借助正确的物理实验手段，教导学生理解物理概念的内涵与外延，再现知识与生活和社会的联系，学以致用，培养学生分析问题解决问题的能力，并最终形成思维上的具体。‎ 在教学实践中我发现物理学科是大多数学生畏惧的一门学科，笔者在与学生交谈中发现大部分学生有“喜欢上物理课，但是怕做物理作业和参加物理考试”的心理，为什么会出现这样尴尬的局面呢？一些物理教学过于强调应试功能，长期以往导致学生害怕考试、害怕作业、最后讨厌物理，扼杀了他们对物理，对大自然的好奇之心，这是非常可怕的。物理学科因为物理思维逻辑性强、物理概念多而抽象，因此给学生学习物理造成了一些理解的障碍，那么如何破解这一难题呢？若能把抽象的物理变得具体可见，就便于学生理解，就会让学生爱上物理重新唤起他们的好奇之心。新课改的目标之一是唤醒学生的好奇心，激起学生的求知欲。教师应当保护学生的学习兴趣，探索因人而宜的教学方式，让每个学生在不同的学习活动中尽可能的发挥自己的长处。新的物理课程标准的实施，为学生多元智能结构的完善提供良好的平台。物理课程的多元智能的发展目标就是“在物理课堂教学中，不但让学生学到知识，提高学习能力，而且提高全体学生的科学素养，着眼于学生的未来，通过多元的课堂教学方式，开发每个学生的潜能，满足每个学生的需求，促进学生的全面发展，培养学生的创造性”。多元智能理论为教育提供了重要的理论依据，他在教育中可以激发学生的思维活动、完善学生的智能结构、培养学生的创新精神。‎ 那么如何达到预期的目标呢？这就要求我们教师在教学设计时增加做学生参与实验的机会，关注做实验过程中学生知识结构的形成和能力的发展，所以加强实验教学就成了新课程下一种很好教学途径。在人民教育出版社出版的高中物理教材中已近体现的淋漓尽致，新教材在“做一做”栏目中多次介绍了信息技术在实验中的应用。例如物理必修1第二章第一节“用计算机绘制v－t图象”、第四章第五节“用传感器研究作用力与反作用力的关系”等。这样的处理保护学生的学习兴趣，体现了因人而宜的教学方式，让每个学生在不同的学习活动中尽可能的发挥自己的长处。‎ 无疑实验有着重要的教育价值。但是传统的物理实验耗时较多、有些测量实验精度不高等等问题，而新课程下物理课的课时又较少，如何解决这一矛盾呢？数字化实验（DIS）的出现正逢其时，数字化实验以其强大的数据采集系统和处理软件成功的改善一些已有的物理实验、增加原来不能做或者实验现象不明显的实验。因此数字化实验在新课程的物理教学中有着很大的舞台，在新课程中使用数字化实验是大势所趋，并且在新教材中已经初显端倪。‎ 二、数字化实验的简介 数字信息系统实验室(DigitalInformationSystemLaboratory)，简称DISLab。它是在传统的实验室仪器设备的基础上，通过加载智能化的传感器、数据采集器和实验分析软件包构成的新型实验系统。DISLab主要由智能传感器、数据采集设备、计算机及其分析处理软件三部分组成。较传统的实验数字化实验有以下特点：‎ ‎1、信息的收集和显示更精细 DIS系统充分利用传感器收集各类物理量的信息，并把它们转化成同步变化的电信号，如力的大小信号转化成电压大小信号，使收集到的信号更加精确和细致。如果不需要采集器自动采样，也可用手动采样，即在需要的时候手动控制，进行采样，这样使实验的操作更灵活。‎ 对于收集到的信息，DIS软件系统采用三种方式显示，即数字式、仪表式和图线式（数字式比较精确，仪表观察动态化比较好，图线方式记录物理量随时间的变化规律，更形象，且具有连续性。三种方式各有千秋，采用哪种方式看具体情况而定。‎ ‎2、数据的处理和分析更快捷 传统的实验数据都需要学生自己来处理，这可以提高学生的运算能力，如果学生掌握了数据处理的一般方法，人们希望将注意力转移到实验过程和现象的研究。因此借助DIS实验，缩短数据的处理时间，是非常有必要的。DIS实验系统提供了数据表格功能，它能够及时录入数据，并且根据事先编写好的公式，及时地输出运算结果。‎ ‎3、图像的显示和转化更方便 收集和处理好数据后，DIS系统可以迅速地绘制各类图像，让学生通过图像观察物理量之间的关系。如利用图像功能研究滑动摩擦力与压力之间关系时，所显示出来的摩擦力——正压力图像是一条直线，关系一目了然。然后可以通过“拟合功能”对图像分析，研究图像的特性，如正反比函数，还是多次幂函数等，也可对图像进行进一步的处理，如对图像进行求导或求取平均值等，如对一段滑动摩擦力求取平均值，可解决滑动摩擦力不易测量的弊端。‎ ‎4、开放式学习与开放实验 DIS软件系统提供了两种软件界面，通用软件系统和专用软件系统。专用软件系统是事先根据大多数课本记载的实验做法而设计好的软件程序，包括一些常规的演示实验和学生实验如速度测量、加速度与力的关系、机械能守恒定律等。实验过程中，只需要根据实验要求，连接好相应的传感器，点击运行按钮就可以顺利研究了，系统有测量和记录、呈现诸单元。这种方式操作简单，实验效率高。通用软件系统是支持研究者自己设定实验情景和测量数据，实验数据显示，未作任何的处理和限定，学生可以根据实验的目的，结合系统的功能，进行自由的实验设计，对得到数据可以根据自己的思考、猜想，进行深入的分析、思考和处理。这种方式操作上相对麻烦一些，需要的时间和技能更多一些，但它给了学生更多的探究空间，使学生的思维得到更好地拓展和延伸，可以说这是一种开放实验的开放式学习。‎ 三、数字化实验在新课程中的应用举例 数字化实验凭借着自己独有的优势在新课程物理实验中得到了大量应用，极大地扩展了教学实验的内容，涉及以前教学实验无法涉及的领域，提升了物理教学的广度和深度，给予学生更大的学习空间，激发他们的想象力、创造力。下面笔者从四个方面具体谈谈DIS在物理教学中的具体应用。‎ ‎1、DIS让物理现象和过程变得清晰可见 DIS实验加快了实验数据的采集和数据处理过程，可以捕捉不易观察的物理过程，揭示物理规律，利用实验结果用图像直观的呈现出来，让原本抽象的物理变得那么的清晰可见。如：自感现象一直是高中物理教学中的难点，因为这一变化过程持续时间短暂，传统方法用演示电表很难扑捉和记录，而数字化实验能借助其强大的数据采集器和处理软件能很好的对实验进行记录。教材中设计的两个实验，虽然用肉眼难以观察到图一中1灯泡的“闪亮一下再熄灭”和图二中的1灯泡“延迟发光”，从物理教育角度看，学生若能“看到”通过图二中灯泡1的电流发生了变化，则会更有自我说服力。‎ DIS每秒可采集1万个数据，记录这些数据是不费力的。如图1中在灯泡上并接上一个电压传感器，当断开开关S瞬间，同时启动数据采集器采集灯泡A两端的电压信号，利用相关软件直接画出“U-t”图像，如图三，可以直接观察看出，小灯泡两端的电压先反向，然后慢慢减小，也就是流经小灯泡的电流先反向，然后慢慢减小，在一小段时间内，加在灯泡两端的电压比原理更高，所以灯泡会闪亮一下。在图2中在灯泡1上并联一个电压采集器，当闭合开关S瞬间，同时启动数据采集器采集灯泡1两端的电压信号，利用相关软件直接画出“U-t”图像，如图四，可以直接观察看出：灯泡1两端的电压信号慢慢增加，也就是流经灯泡和线圈的电流慢慢增加，在图像中我们可以很直观的看到这一点。通过这样的改进学生对实现中所表现出来的“闪亮一下在熄灭”和“延迟发光”有了更为直观的理解，同时又唤起了学生的好奇心。‎ ‎2、DIS让物理现象和规律自然的展现于学生面前 了解现象更要掌握规律，物理规律的学习要向学生再现物理规律的发现过程。如对机械能守恒一定要让学生亲眼目睹机械能守恒的事实，而数字化实验很好的做到了这一点，用位移传感器和速度传感器即可，如果教师能这样处理既让学生明确了机械能守恒的真实性，又激发了学生的求知欲，提高了学生的综合能力。‎ ‎2020上海市高中结业文化考试中有这样一道题：‎ 学生实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图（a）所示，某组同学在一次实验中，选择DIS以图像方式显示实验的结果，所显示的图像如图（b）所示。图像的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。试回答下列问题：‎ ‎（1）图（b）的图像中，表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是__________________（按顺序填写相应图线所对应的文字）。‎ ‎（2）图（a）所示的实验装置中，固定于小球下端、宽度为Δs，且不透光的薄片J是_________，传感器K的名称是。‎ ‎（3）根据图（b）所示的实验图像，可以得出的结论是_____。‎ 笔者以为这样与实际实验相结合的题目可能会是以后的热点，所以教师在平时穿插适当的数字化实验室很必要的。‎ ‎3、DIS成为物理探究的有力工具 在人教版物理3-1中用高电阻放电法测电容的实验中，该实验由于实验现象难以观察，数据难以快速读取记录，图线难以拟合等困难所以以往是没有办法做的。而新教材就引入了DIS来进行实验，对学生有很大的吸引力。用高电阻放电法测电容的实验，是通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电电压为U时，所带的电量为Q，从而再求出待测电容器的电容C．某同学的实验情况如下：‎ ‎（1）按图甲所示电路连接好实验电路；‎ ‎（2）接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使小量程电流表的指针偏转接近满刻度，记下这时电流表的示数I0＝490μA及电压表的示数Uo＝6.2V，I0和U0分别是电容器放电的初始电流和电压；‎ ‎（3）断开开关S，同时开始计时，每隔5s或10s测一次电流I的值，将测得数据填入预先设计的表格中，根据表格中的数据（10组）表示在以时间t为横坐标、电流I为纵坐标的坐标纸上，如图乙中用“×”表示的点．‎ 实验后，教师可以让学生思考几个问题：‎ ‎（1）试根据上述实验结果，在图乙中作出电容器放电的I-t图象,并估算出该电容器两端的电压为U0时所带的电量Q0约为___________C；‎ ‎（2）该电容器的电容C约为____________F 这样既让学生懂得了如何用高电阻放电法测电容，有掌握了处理和分析实验数据的方法，以及对实验的思考。‎ ‎4、DIS使得习题训练变得有趣可信 ‎《楞次定律》是电磁学的重点和难点。老教材有这么一道经典的习题，题目如下：如图5所示，若条形磁铁下无闭合线圈，磁铁会振动较长的时间才停下来，若条形磁铁下有闭合线圈，磁铁振动会较快的停下来，要求解释此现象。‎ 将本题开发成实验，作为《楞次定律》一节中的一个理解楞次定律电流方向的判定和能量转化的实验出现。将图5按照图6组装，可以得出图7的图象。从图中清楚的显示出随时间的延长，线圈中感应电流在衰减，并对感应电流的方向有了明确的认识。图7还可以进一步应用到这一章的“涡流”一节，使学生对“电磁阻尼”的理解困难迎刃而解。‎ 该实验一定会引起学生的极大兴趣，学生们自己组装实验，并从实验开始就认真盯着大屏幕逐渐显示出的图象，当磁铁停止振动后都很认真的读着数据，热烈地讨论图象的物理意义，对楞次定律有了更进一步的理解。电流传感器的应用可以捕捉到瞬间感应电流的大小和方向。‎ ‎5、DIS让学生的物理思维变得更为活跃 借助于DIS的强大功能，在教学中教师可以适当的与实际相结合，让学生体会物理知识在实际生产生活中的应用，如在教材中有“关于速度的测量”的实验，这就是DIS在实际生活的应用很好的例子。在借助传感器用计算机测速度的实验中，用“运动传感器”把物体导轨上运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机运算，可以在荧光屏上显示物体运动的速度，甚至能在几秒内自动绘出运动v-t图象。这样，同学们可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析。‎ 图8是一种运动传感器 的原理图。这个系统由A、B两个小盒子组成，A盒装有红外线发射器和超声波发射器，B盒装有红外线接受器和超声波接受器，A盒固定在被测物体上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲，B盒收到红外线脉冲时，开始计时，收到超声波脉冲时计时停止。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动计算出A与B的距离（红外线的传播时间可以忽略）。经过短暂的时间Δt后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，即物体运动的位移Δx，系统按照 v=Δx/Δt算出速度，显示在荧光屏上。所有这些操作都可在不到1s的时间内自动完成。在采集到所需要的速度数据后，我们可以借助软件（如EXCEL）即时得到v-t图线（参考图9）。‎ 四、对应用DIS实验的一点思考——“替代”还是“互补”‎ 新课程中DIS实验的引入，并不是对传统实验的否定。在很多重要的物理思想的体现上传统实验做的比DIS实验要好。我以为数字化实验是一把“双刃剑”，既可促进教学，也会拖累教学，从它的诞生到今天，许多人一直抱有怀疑的态度，笔者认为他们的想法是有道理的，但大家的关注点应该在于如何更好发挥它的优势，而避免它的不足。DIS只是技术器件，关键在于作为教师的你如何在新的背景下合理的设计你的课堂，让数字化实验为你所用更好的发挥他的作用。浙江省物理教研室梁旭老师认为传统实验和数字化实验应该是“共存”与“替换”的关系：数字化实验与传统实验应该同时并重，长期共存，互为补充，相辅相成，既无主次之分，更不能完全替换，它们不是推倒与重建、破和立的关系,而是继承与发展的关系。在物理教学过程中既要提倡运用DIS，又不能偏废传统实验原理、实验手段和实验方法的学习。‎ 数字化实验对高中物理来是是一个新兴的事物，教师们在一开始往往会有一点点盲目，如何更好的发挥数字化实验的作用呢？以下是我对这个问题的几点思考：‎ ‎1、利用DIS能够完成中学物理中力学、热学、电磁学、光学、原子物理实验数百个，但是DIS作为一种新型的实验系统，师生的学习和掌握有一个渐进和内化的过程，大面积推广也要经历循序渐进的阶段。教师可以先按课程标准，从基础性、拓展性和研究性课程中挑选一部分具有代表性、典型性的DIS实验把它们讲清楚、让学生做熟又不重复，适度把握好DIS实验的容量和密度，否则容易造成学生囫囵吞枣、一知半解、似是而非．教师要注重引导，循序渐进，对新仪器以及使用新仪器采集到的相关信息进行及时解释。教师要加强对学生活动的引导与控制，注意内容与新颖仪器之间注意力的分配。‎ ‎2、DIS是一种新型实验工具和教学手段，是物理实验教学的工具，优秀的物理教学应该以学生发展（建构良好的知识结构）为本，使“工具”为“主体”服务，而不是削足适履、因此，一切要从学生的实际和学生的发展出发，使教师的教学理念、学生学习方式和现代信息技术达到尽可能完美的结合。‎ ‎3、在使用数字化实验时应该扬长避短，传统实验能够做得好（现象清晰，时间节约）的实验，并不需要用DIS来“做秀”，传统实验中有特有的思想方法的实验，无法用DIS来替代。‎ 五、结束语 新的课程标准提出物理课程必须倡导物理学习的自主性、探究性、合作性，让学生主动参与学习，体验科学探究的过程和方法，感悟学习过程的严谨和细致，激发他们持久的学习兴趣和求知欲望，在探究过程中逐渐培养自主学习的能力、逐步实现学习方式的转变，使学生养成敢于质疑、善于交流、乐于合作、勇于实践的学习习惯。因此物理“探究式”学习应成为高中生主要的学习方式之一。把DIS实验与高中物理“探究式学习”加以整合，必将有助于新课程教学。DIS实验是物理新课程教学改革的一个发展方向，我们应该结合学校和学生的实际情况，逐步将其融入的教学之中，充分发挥它对教学的优化功能，提高物理教学的质量，提高学生的学习水平。对于这样一种工具只要扬长避短，就一定能更好地发挥它促进教学的功能。数字化实验犹如一缕春风吹拂着高中物理教学，让我们的教师尽情的沐浴在这一和煦的春风中吧！让我们的学生利用数字化实验尽情的发挥他们的想象吧！让我们的物理教育再次唤醒学生对自然的好奇吧！借用赵凯华先生的一句话“我们的学生又活跃起来了”！ ‎