利用DIS系統(tǒng)和數(shù)字傳感器有效突破教學(xué)難點(diǎn)

初中階段，物理是基礎(chǔ)學(xué)科的重要組成部分。物理學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，很多物理規(guī)律及概念都是在大量實(shí)驗(yàn)中建立起來的。然而，受傳統(tǒng)應(yīng)試思維的桎梏，初中物理教學(xué)長期呈現(xiàn)出“重理論，輕實(shí)踐”的問題，教師往往將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和物理規(guī)律直接呈現(xiàn)給學(xué)生。初中生正處于物理學(xué)習(xí)的初級階段，這也是培養(yǎng)學(xué)生物理思維的“黃金期”，然而傳統(tǒng)的教學(xué)方法讓學(xué)生“死記硬背”，導(dǎo)致學(xué)生“只知其然，卻不知其所以然”，為學(xué)生未來的物理學(xué)習(xí)帶來阻礙。隨著時代的發(fā)展與信息技術(shù)的進(jìn)步，新課程改革要求大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，DIS作為滿足這一要求的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在教學(xué)實(shí)踐中得到了廣泛關(guān)注。DIS實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的簡稱，DisLab系統(tǒng)是傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的巧妙結(jié)合，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用數(shù)字傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，最終交給計算機(jī)進(jìn)行處理。DIS系統(tǒng)與數(shù)字傳感器的應(yīng)用能夠大大提高實(shí)驗(yàn)效率與精準(zhǔn)度，更可以讓學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后有更多時間去分析、思考與探究。因此，DIS系統(tǒng)與數(shù)字傳感器的應(yīng)用是初中物理教學(xué)發(fā)展的一次有力“變革”?；诖?，本文立足于新課標(biāo)視域，以“利用DIS系統(tǒng)和數(shù)字傳感器突破初中物理教學(xué)難點(diǎn)”為主題，詳細(xì)論述了其具體的意義和實(shí)踐路徑，并以初中物理“牛頓第一定律”的教學(xué)為例探究實(shí)踐案例，以期為廣大一線教育教學(xué)者提供參考經(jīng)驗(yàn)。一、利用DIS系統(tǒng)和數(shù)字傳感器突破初中物理教學(xué)難點(diǎn)的意義（一）有利于提高教學(xué)質(zhì)量在新課程改革的背景下，“以人為本”教育理念在實(shí)踐中貫徹落實(shí)，作為教育教學(xué)者，深知增強(qiáng)學(xué)生課堂體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“知行合一”的重要性。尤其是在物理學(xué)科的教學(xué)活動中，讓學(xué)生體驗(yàn)完整的學(xué)習(xí)過程、感受知識生成過程，往往比照本宣科的“灌輸式”教學(xué)更有效，不僅學(xué)生理解和記憶的程度更深，而且能夠推動學(xué)生綜合能力與實(shí)踐能力雙重提高。然而，在傳統(tǒng)的教學(xué)活動中，尤其是在物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往需要對各種物理量進(jìn)行自行測量、讀取、記錄與計算，雖然給了學(xué)生很多實(shí)踐機(jī)會，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往會因?yàn)楦鞣N誤差而難以理想化。不僅如此，實(shí)驗(yàn)時間有限，很多教師會讓學(xué)生在測量出具體的數(shù)據(jù)后在課下計算、分析與總結(jié)，導(dǎo)致學(xué)生沒有太多時間對實(shí)驗(yàn)中存在的問題進(jìn)行反思，數(shù)據(jù)分析脫離了教師的及時指導(dǎo)，阻礙了課堂教學(xué)效率的提高，而DIS系統(tǒng)則能夠在很大程度上改變這一現(xiàn)狀。首先，DIS系統(tǒng)以傳感器作為主要載體，對各種物理量進(jìn)行測量，具有速度快、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于傳輸、轉(zhuǎn)換、顯示、處理等諸多優(yōu)點(diǎn)。其次，DIS系統(tǒng)能夠動態(tài)、實(shí)時地測量各種物理量，并快速轉(zhuǎn)換成電信號輸入數(shù)據(jù)采集器，這種操作成果完全是傳統(tǒng)的彈簧測力計、溫度計、電壓表無法比擬的。再次，在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，DIS系統(tǒng)能夠及時將記錄的數(shù)據(jù)通過設(shè)置好的公式快速運(yùn)算得到結(jié)果，并根據(jù)教學(xué)要求繪制出相應(yīng)的圖表，讓學(xué)生更直觀明了地感受到物理量之間的關(guān)系，加深對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解與認(rèn)識。最后，DIS系統(tǒng)還可以解決很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法探究的問題。例如，在“探究二力平衡條件”的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材無法保證物體處于勻速直線運(yùn)動狀態(tài)下，而DIS系統(tǒng)則可以用輸出功率穩(wěn)定的電機(jī)提供恒力，讓物體處于勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，并借助力傳感器獲取大量的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行探究。可以說，DIS系統(tǒng)的應(yīng)用真正做到了“變不行為可行，變定性為定量”的重要突破。（二）符合學(xué)生的認(rèn)知初中階段的學(xué)生大多是從八年級開始學(xué)習(xí)物理的，根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)生論，這一階段的學(xué)生在思維發(fā)展上正由直觀思維向邏輯思維轉(zhuǎn)變，抽象邏輯思維向“理論型”轉(zhuǎn)化，因此在這一階段的學(xué)習(xí)活動中，教師要提供具體的事物與經(jīng)驗(yàn)來支撐學(xué)生的思考。物理學(xué)科本身就存在較強(qiáng)的抽象性，因此很多學(xué)生會在學(xué)習(xí)活動中倍感艱難，而DIS系統(tǒng)與傳統(tǒng)教學(xué)的融合能夠順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，讓物理學(xué)習(xí)更簡單、具體。以“音調(diào)”這一教學(xué)內(nèi)容為例，在教學(xué)活動中，教師就可以利用聲傳感器，讓男生、女生面向傳感器發(fā)聲，而DIS系統(tǒng)所反饋出來的波形圖可以證明不同人的音調(diào)是不同的。同樣，教師還可以讓同一個學(xué)生對著聲傳感器分別進(jìn)行聲音大與聲音小的兩次發(fā)聲，讓學(xué)生通過對不同聲波波形的觀察深入理解“聲音三要素”中音量大小相關(guān)知識。這類演示實(shí)驗(yàn)操作簡單，形象直觀地描述了物理現(xiàn)象，更容易被學(xué)生理解接納、消化吸收。二、利用DIS系統(tǒng)突破物理教學(xué)難點(diǎn)的實(shí)踐原則（一）合適性原則DIS系統(tǒng)所覆蓋的實(shí)驗(yàn)范圍較廣，且在不同實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)有所不同，需要教師從實(shí)驗(yàn)要求出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體特點(diǎn)，對DIS系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計與整合，以提高教學(xué)效率作為主要目標(biāo)。然而，隨著DIS系統(tǒng)的推廣，不少教師在教學(xué)中存在著“為了應(yīng)用而應(yīng)用”的情況，導(dǎo)致DIS系統(tǒng)的應(yīng)用并未發(fā)揮突出的作用。如果傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)能夠直觀具體地展示物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，數(shù)據(jù)收集、整理與分析的精確度較高，且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)本身就具有一定的巧妙性，所花時間與精力較少，那么再引入DIS系統(tǒng)就多此一舉了。以“串聯(lián)電路中電壓規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)裝置為例，有的教師會將實(shí)驗(yàn)中的電壓表換成電壓傳感器，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計意義就不是很大，而且增加了計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器等多個額外裝置，將原本簡單的讀取數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到電腦屏幕上，反而讓簡單直觀的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化了。不僅如此，學(xué)生學(xué)會如何使用電壓表、如何對電壓表進(jìn)行讀數(shù)也是必要的，DIS系統(tǒng)的引入反而弱化了這方面能力的訓(xùn)練。基于此，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計與改良中，教師要始終遵守合適性原則，避免為了應(yīng)用DIS系統(tǒng)而應(yīng)用，要讓DIS系統(tǒng)的應(yīng)用真正解決教學(xué)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效率與成果的雙重提高。（二）趣味性原則興趣是最好的老師，也是學(xué)生開展學(xué)習(xí)活動的內(nèi)在驅(qū)動力。物理實(shí)驗(yàn)過程有趣，學(xué)生參與度高，備受學(xué)生喜愛。因此，在DIS系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，教師要遵循趣味性原則，避免讓實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)程式化的現(xiàn)象，以及“重結(jié)果、輕過程”的傾向。首先，趣味性原則要求教師深入挖掘物理教學(xué)內(nèi)容的趣味性，讓學(xué)生感受到實(shí)驗(yàn)本身的吸引力，從而點(diǎn)燃參與熱情。以“阿基米德原理的演示實(shí)驗(yàn)”為例，教師可以先引導(dǎo)學(xué)生猜測兩千年前國王如何確定自己純金王冠的體積，并將實(shí)驗(yàn)過程中的排水物替換成小型王冠。這樣的教學(xué)設(shè)計不僅激發(fā)了學(xué)生的好奇心，還能夠重現(xiàn)阿基米德鑒定純金王冠的故事，讓學(xué)生對物理發(fā)展史有所了解。其次，趣味性原則要求教師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中為學(xué)生留出探究的空間，這就需要教師在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮DIS系統(tǒng)的拓展性作用，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計擁有自由寬廣的設(shè)計空間。同時，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，教師要注重“留白”，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中多一些自主性，探索教材之外物理知識應(yīng)用的更多可能性。三、基于DIS系統(tǒng)和數(shù)字傳感器突破伽利略理想實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)的實(shí)踐路徑（一）提出問題在滬教版初中物理教材八年級《力與運(yùn)動》教學(xué)中，學(xué)生學(xué)到了“牛頓第一定律”的具體內(nèi)容，其中通過“伽利略理想實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生知道了當(dāng)水平面絕對光滑時，小車將進(jìn)行勻速直線運(yùn)動，對“牛頓第一定律”有了更深入的認(rèn)識。但是，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，由于無法展示出水平面絕對光滑時小車的運(yùn)動狀態(tài)，因此，這一結(jié)論是通過極限思想推論而出的，并沒有數(shù)據(jù)化的形象呈現(xiàn)。不僅如此，在實(shí)驗(yàn)過程中，小車在水平面運(yùn)動的距離、小車進(jìn)入水平面的初速度、小車經(jīng)過固定點(diǎn)的速度以及小車經(jīng)過兩點(diǎn)間的速度變化等多種數(shù)據(jù)都要依靠人為記錄與測算，難免會存在誤差，而這些問題又容易干擾學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解，造成課堂教學(xué)效率低下。那么，作為教育教學(xué)者，該如何解決這一問題，提高教學(xué)質(zhì)量與成果呢？筆者便巧妙地引入了DIS系統(tǒng)與傳感器，對教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一定程度上的優(yōu)化，讓數(shù)據(jù)記錄更準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)計算更迅速，也讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察更直觀，巧妙地規(guī)避了實(shí)驗(yàn)方案中的不足之處。（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.知識與技能：知道物體的運(yùn)動不需要力來維持，理解力和運(yùn)動的關(guān)系；知道牛頓第一定律是邏輯的推理結(jié)果，不受力的物體是不存在的，理解牛頓第一定律；通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，要能透過現(xiàn)象了解事物的本質(zhì)，不能不加研究而只憑經(jīng)驗(yàn)，對物理問題不能主觀臆斷；正確認(rèn)識力和運(yùn)動的關(guān)系。2.過程與方法：通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)置問題、探究問題。3.情感態(tài)度價值觀：在探究過程中，學(xué)生可以體會到推理、總結(jié)、歸納思想的具體應(yīng)用，形成善于思考、敢于動手、勤于探究的習(xí)慣。（三）實(shí)驗(yàn)器材DIS系統(tǒng)、位移傳感器、計算機(jī)、斜面、毛巾、棉布、木板、小車等。（四）實(shí)驗(yàn)步驟1.在小車上安裝位移發(fā)射器，在水平面遠(yuǎn)端安裝位移接收器，并將位移收集器通過數(shù)據(jù)線連接到采集器上，讓采集器與計算機(jī)相連。2.將毛巾鋪在水平面上，將小車放在斜面上的某一位置。3.小車由靜止開始釋放，位移傳感器記錄小車在水平面運(yùn)動的距離s，通過位移采集器記錄小車在水平面上運(yùn)動的信息，觀察計算機(jī)自動生成的v-t圖，并直接得出小車進(jìn)入水平面的初速度v1和經(jīng)過另一固定點(diǎn)的速度v2，由計算機(jī)測算出小車經(jīng)過兩點(diǎn)的速度Δv。4.將毛巾更換為棉布，將同一輛小車放置在斜面的同一位置，重復(fù)上述步驟，通過DIS系統(tǒng)采集上述數(shù)據(jù)。5.將棉布更換為木板，將同一輛小車放置在斜面的同一位置，重復(fù)上述步驟，通過DIS系統(tǒng)采集上述數(shù)據(jù)。6.計算機(jī)將記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，如表1所示。表1（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)論在其他條件相同時，平面越光滑，小車受到的摩擦力越小，速度變化越小，小車前進(jìn)的距離就越遠(yuǎn)。（六）設(shè)計意圖利用DIS系統(tǒng)及傳感器將小車達(dá)到水平面以及固定點(diǎn)的速度準(zhǔn)確地測量出來，將小車速度可視化，可以直觀觀察到小車經(jīng)過這兩點(diǎn)的速度變化，幫助學(xué)生更好地理解速度的變化。在實(shí)驗(yàn)中，“將同一高度同一小車靜止滑下，能使小車到達(dá)水平面的速度相同”這一點(diǎn)通過觀察速度的數(shù)值直觀體現(xiàn)，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作的理解。（七）實(shí)驗(yàn)的不足與思考1.實(shí)驗(yàn)中使用了不同的水平接觸面，因此為了盡可能減小誤差，教師要保證斜面與水平面盡可能相契合。2.在實(shí)驗(yàn)操作中，條件與時間依然受到一定程度的限制，在本次實(shí)驗(yàn)操作中，僅利用毛巾、棉布與木板作為接觸面，但是為了提高實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，應(yīng)該選擇至少5種不同粗糙程度的接觸面，如大理石、磨砂玻璃等，以提高實(shí)驗(yàn)的完善程度。四、結(jié)語綜上所述，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與新課程改革的持續(xù)推進(jìn)，將DIS系統(tǒng)與初中物理教學(xué)相融合已然成為教育教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。DIS系統(tǒng)巧妙地解決了當(dāng)前物理教學(xué)中的諸多問題，很大程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，順應(yīng)初中階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，極大降低了物理學(xué)習(xí)難度，為學(xué)生未來的物理學(xué)習(xí)奠定了堅實(shí)的基