數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗助力學生自主探究

【摘要】將信息技術與物理教學深度融合，充分發(fā)揮學生的學習自主性，能夠更有效地落實學科核心素養(yǎng)。筆者利用DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）實驗，激發(fā)學生進行實驗探究的興趣，提高課堂探究實驗的效率，達到了很好的教學效果，學生的學習自主性得到了提高?！娟P鍵詞】DIS實驗；自主探究；信息化數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS，DigitalInformationSystem）實驗作為一種現(xiàn)代化實驗教學手段已被應用到物理新課程中。DIS實驗是數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗的簡稱，以傳感器測量為基礎。信息技術與物理教學深度融合，能夠精準、快速、便捷地記錄和分析處理數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)可視化、即時化，更好地顯示測量數(shù)據(jù)的變化過程，讓數(shù)據(jù)計算、圖像顯示更加快捷?！半p新”改革是在高中階段由國家主導的新課程和新教材教育改革，是一個系統(tǒng)化的改革舉措，主張教師和學生通過情境實踐和問題探究學習。對于筆者所處的基礎薄弱校來說，學生的科學探究能力有限，面對探究實驗中的數(shù)據(jù)分析和處理存在較大困難，數(shù)學計算、圖像處理能力都比較弱，一定程度上影響了學生對實驗的學習熱情和深入思考分析。筆者嘗試使用DIS進行有關實驗探究，發(fā)現(xiàn)學生實驗探究的興趣得到了很大提高，對實驗的思考更加深入了，提出的問題的角度也多了，很好地改善了實驗探究的效果，學生的學習自主性也得到了提高。降低數(shù)據(jù)分析難度，提高實驗探究興趣高中生對物理實驗的興趣大多數(shù)停留在新奇的實驗現(xiàn)象上，而對數(shù)據(jù)分析有畏難情緒。利用DIS實驗，既能保護學生好奇心的星星之火，也能降低學生對枯燥的數(shù)據(jù)和復雜的數(shù)據(jù)分析的畏難心理。以高二物理“電感器和電容器對交變電流的作用”為例。人教版（2019）新教材將這部分內(nèi)容變?yōu)榱诉x擇性必修二第三章“交變電流”第二節(jié)“交變電流的描述”一節(jié)的拓展學習內(nèi)容，課時變得更加緊張。學生提出交變電流在遇到電容器之后，其電流值有所改變，但是交變電流的周期是否受到影響呢？如何通過實驗驗證呢？能否用電流傳感器觀察一下？根據(jù)學生的設想和問題，課下筆者協(xié)助學生設計了如下DIS實驗。實驗器材：學生電源（交流2V）、電容器（1000μF、3300μF、470μF）、導線、開關、電阻箱、朗威電流傳感器（頻率采樣1kHz）。實驗電路：將交流電源與電容器、電阻箱和電流傳感器串聯(lián)起來即可。實驗步驟及數(shù)據(jù)：第一步，電阻箱選擇5Ω，電路中未接入電容器時，電流傳感器記錄到的正弦式交流電，電流峰值0.68A，周期為0.02s；第二步，電路中加入3300μF的電容器，交變電流峰值變?yōu)?.64A，周期保持0.02s不變；第三步，改為加入1000μF的電容器，交變電流峰值變?yōu)?.52A，周期保持0.02s不變；第四步，改為加入470μF的電容器，交變電流峰值變?yōu)?.39A，周期保持0.02s不變。通過對比實驗數(shù)據(jù)，學生發(fā)現(xiàn)電容器對交變電流有阻礙作用，電容越小，阻礙作用越大，但是周期保持不變。完成實驗后，學生很有成就感，更加激發(fā)了他們?nèi)蘸笥龅絾栴}不僅需要理論分析，而且需要通過實驗探究論證的熱情。整合教材引發(fā)質(zhì)疑，提高課堂探究實驗效率教師在課堂上要創(chuàng)設有利于“質(zhì)疑”的情境和氛圍。質(zhì)疑不僅是一種能力，更是一種習慣，它是學生發(fā)現(xiàn)問題的前提，是提出問題的基石[1]。如果想讓學生有質(zhì)疑，提出有質(zhì)量的、有價值的研究問題，教師自身也需要有質(zhì)疑和自主探究的精神。教師如何引導學生在課本學習中發(fā)現(xiàn)有價值的研究問題呢？首先就是研究教材。在教學設計中教師要敢于打破常規(guī)，整合教材內(nèi)容，用教材而不是教教材?！坝^察電容器的充放電現(xiàn)象”是新課程標準增加的必修課程學生實驗，在人教版普通高中教科書物理必修三第10章第4節(jié)“電容器的電容”中。教材上提供了實驗電路圖，交代了實驗器材，但對實驗器材的具體參數(shù)沒有交代。學習這部分內(nèi)容的時候還沒有學習恒定電流一章，學生對于電壓表是由小量程電流表改裝而成的知識并不了解。初中教學一再強調(diào)電壓表接在電路中等效于斷路，也讓學生對于電壓表內(nèi)阻無窮大的印象根深蒂固。然而這個實驗的問題恰恰就是電壓表不能視為理想電表，要考慮其內(nèi)阻。在以往的教學中，教師往往一帶而過，直接使用傳感器或者數(shù)字萬用表替代傳統(tǒng)電壓表。這可以使得探究實驗很順利地進行下去，又能得到教材上描述的實驗結(jié)論。然而這也損失了一個讓學生產(chǎn)生質(zhì)疑并進行研究的機會。筆者將教材內(nèi)容進行調(diào)整，把觀察電容器充放電的實驗放到了恒定電流一章的最后。也就是做完了所有電學實驗之后，再做這個觀察電容器充放電的實驗。希望學生能夠自己發(fā)現(xiàn)問題，并且能夠解釋出現(xiàn)的問題。在課堂上，教師給學生提供教材上的實驗器材，學?，F(xiàn)有的電容器多數(shù)為幾千微法，電流表使用靈敏電流計，再提供電壓表、電阻箱（最大阻值9999.9歐姆）、2-4節(jié)干電池等，連接電路并進行實驗。按照實驗電路進行實驗，學生是無法達到預期實驗結(jié)果的。于是學生就會對實驗產(chǎn)生如下疑點。質(zhì)疑點一：單刀雙擲開關置于1，給電容器進行充電，會觀察到靈敏電流計指針迅速偏到最大后又迅速減小，后來減小變慢，最后停在某一電流值。這個現(xiàn)象與教材給出的充電時充電電流逐漸減小至0出現(xiàn)沖突。質(zhì)疑點二：充電時電壓表由0逐漸增大，最終停在某一電壓值。若將單刀雙擲開關空置，與電源斷開，則可以看到電壓表示數(shù)逐漸減小到0，即電容器通過電壓表放電。而教材表述內(nèi)容為“即使斷開電源，兩極板上的電荷由于相互吸引而仍然被保存在電容器中”，這在實驗中也是沒看到的[2]。發(fā)現(xiàn)疑點之后，教師引導學生用所學過的知識解釋疑點，并且啟發(fā)學生思考能否突破這個疑點。這僅靠課上的時間是遠遠不夠的，讓學生自主探究需要給他們充分的時間。從收集資料、查看前人完成實驗的經(jīng)驗，到不斷更換儀器進行反復實驗嘗試。學生利用學校中午開放實驗室的時間進行了討論和交流，最終得到了教材上的表述需要在一定參數(shù)條件下才能成立的結(jié)論。在此期間，學生的探究欲望很強，搜集資料、預約實驗室做實驗、記錄實驗結(jié)果的過程讓學生體會到了科學探究的樂趣。身邊的DIS實驗，探究生活中的物理問題利用智能手機中的phyphox應用程序，日常的測量速度、加速度、磁場磁感應強度等，都可以激發(fā)學生的實驗探究興趣。例如，高一上學期的自由落體運動，課上教師讓學生利用手機測量了自由落體運動的加速度。高一下學期的超重和失重現(xiàn)象，課上利用手機記錄下蹲和起立過程中的F-t圖像，分析超重和失重狀態(tài)。有了課堂上的引導，令人欣慰的是學生去滑雪時，他們自發(fā)地用手機測量乘坐纜車和從滑道上滑下時的加速度，坐地鐵公交也拿出手機測量加速和減速時的加速度，并和