核心素养背景下的DIS实验教学

陈果

摘要：在传统教学模式下，由于条件和科技水平的限制，很多物理实验无法进行验证，而依靠中学生数学能力又没有办法用理论推导，这给中学物理课堂带来了极大的困扰。近些年涌现的DIS（digital information system）可以说是对传统物理课堂的有益补充。DIS是实验室数字化信息系统的简称，实验室数字化信息系统作为一种现代化教学手段在新课程改革中被广大一线教师高度重视，在教学实践中也取得了意想不到的效果。

关键词：新课程标准 科学思维 实验教学

2017年新课程标准颁布之后，中学教育教学目标由三维目标向核心素养转变，高中物理教学应注重从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼物理学科育人价值。其中教学基础是物理观念的教学，科学探究是过程，科学思维、科学责任和态度是教学要达到的最终目标。因此，教学中既要关注必备知识传授的本身，同时教师必须提升教学设计的站位，从传统传授知识到提高学生能力，培养适应社会需求的建设者和接班人，以立德树人为目标，教学中要从关注孤立知识点和教学内容转变为大单元教学设计。在这样的思想指导下，就能充分改变学科知识点的片段教学现状，实现发展能力与素养的教学目的。

一、实验在教学实践中的地位应予以突出

物理学科要想实现新课标的育人目的，物理实验是一个必不可少的途径与抓手，所以物理实验在物理学科教学中的作用应得到高度重视。物理概念的建立、物理规律的归纳都要求学生合作探究。物理实验是在一定猜想基础上，有目的地使用实验器材，在实验目标导向下，让一定现象再现的过程，是和猜想比对论证从而获得实验结论的过程。新版课程标准中新增了许多实验要求。比如向心力教学中，以前的教学思路是从运动学入手，通过理论推导建立匀速圆周运动模型，得出向心力公式。新课程标准把向心力大小表达式作为必考实验之一，目的就是从实验探究角度强化学生动手探究能力，提升学生思维品质，先猜想向心力大小可能的影响因素，在控制变量法的指导思想下，分别探究向心力与m、ω、r的关系，最后利用牛顿第二定律推导向心加速度表达式。这样的教学设计流程更符合课标精神要求和学生认知规律，同时也提醒我们在做教学设计时，多从实验探究入手，包括我们常规认为的一些无法操作的实验，也要在新技术和新方法的前提下逐步拓展出新的教学途径。

二、DIS实验的作用

在传统教学模式下，由于条件和科技水平的限制，很多物理实验无法进行验证，由于中学生数学能力的限制又没有办法用理论推导，这给中学物理课堂带来了极大的困扰。近些年涌现的DIS实验可以说是对传统物理课堂的有益补充。

DIS（digital infomation system）是实验室数字化信息系统实验的简称，实验室数字化信息系统作为一种现代化教学手段在新课程改革中被广大一线教师高度重视，在教学实践中也取得了意想不到的效果。数字化信息系统实验设备核心是传感器、数据采集器。传感器类型很多，包括电流、微电流、电压、位移、力、磁场等，基本可以满足中学物理实验的要求。

笔者在新人教版必修三第十章第四节电容器的电容一节教学中使用DIS实验教学，取得了很好的效果。电容器作为一个储能的电子元件，主要作用就是充电和放电，传统教学设计淡化了这一过程的教学处理。教学实践中由于条件限制、现象不明显和操作麻烦，很少有老师做充放电实验，一般采用讲授法的教学方式，直接告诉学生电容器具有这样的功能，在和电源相连的时候电容器充电，电容器极板短接时电容器放电，具体放电时间长短、电流大小、电容器两端电压变化规律一般不涉及。因为这一过程本身就是非常抽象、脱离生活感受的过程，所以学生理解起来非常困难。电容器充放电的过程非常短暂，一般为0.1～0.2 s，电流大小在几十毫安，要想显示这样短暂的小电流可以用灵敏电流表，也可以用发光二极管。如图1和图2所示，发光二极管闪烁说明电路中有短暂的充放电电流的存在。

上述实验的优點是可以直观观察充放电电流的存在，却无法具体观测电压、电流的大小以及电压、电流的变化规律，而数字化信息系统实验可以弥补传统实验的不足。

设计如图3这样的电路，在这里用毫安级电流传感器代替发光二极管，并且可以在电容器两端并联电压传感器来测量电容器两端电压。将两个传感器和电脑相连，再使用单刀双掷开关切换电容器先和电源相连，后用一定值电阻短接对电容器充放电后，电脑上显示电容器充放电过程中电路中电流和电容器两端电压的变化。实验中发现如果放电不使用电阻，直接导线短接电流变化更加短暂，不宜观察。

图4与图5展示电容器充放电过程中电压与电流的变化图像。

通过图4可以看到，在直流4 V电压下，充电时电容器两端电压逐渐增加，大小增加到电源电压后保持不变，放电时电压逐渐由电源电压下降到0；如图5所示，充电时电流很快上升到最大值再慢慢下降到0，放电时电流很快上升到反向电流最大值，再慢慢下降为0。这个实验的优点是既可以定量地看到充放电电流和电容器两端电压大小，还可以看到它们的变化过程。这就实现了新课程标准中物理学科素养下科学探究的目的：①通过实验认识电容器充放电过程；②培养学生利用传感器和计算机技术分析实验数据的基本科学素养。

在传统教学过程中，对电容课本用了类比水容器存储水的本领大小，形象地把电容比喻成水容器的横截面积。但是学生并不知道为什么不同电压下不同电容器带电量是不一样的。这个教学瓶颈也可以用DIS实验进行破解，用两个不同的电容器在相同电压（比如4 V）下进行充电，得到如图6所示的电流变化图像。

可以看到，左边电容器的充电时间和峰值电流都比右边的大。我们知道电流—时间图像面积等于通电的电荷量大小，由此可以明显得出两个电容器存储的电荷量的多少是不一样的，这弥补了传统课堂的不足，也完全符合新课程标准下科学思维的培养要求。为了避免实验的偶然性，可以进一步做在2 V、6 V、8 V等电压下二者充电时电流—时间图像的对比，进一步加强学生对电容的理解，同时培养学生严谨的科学思维。

根据电容的定义变形式可以知道，如果是同一个电容器在不同电压下，充电时电荷量与电压成正比例关系，实验验证得到如图7所示的电压变化图像。这个实验即是前面所学公式的应用，也是对电压、电容和电荷量三者关系的进一步解释。

三、DIS实验的不足

DIS实验有优势，也有不足之处，比如人教版必修一第4章第2节“探究加速度与力、质量关系”实验中，一般利用图8所示装置。为了简化小车所受的合外力，把木板一端垫起以平衡摩擦力，如图9所示，这样小车所受绳子拉力就等于小车的合外力。

测量小车拉力是实验的一个难点，要想误差较小地测量小车的拉力，就需要对前面很多知识点进行综合应用。首先是小车拉力和钩码重力的关系，假设小车质量为M，钩码质量为m，绳子拉力F=MmgM+m，只有当mM时，拉力才能约等于钩码重力。因为公式推导是以学习牛顿第二定律为前提的，所以在本实验中没办法讨论，但是学生在学习牛顿第二定律之后再重新评价实验，却是加深对牛顿第二定律理解的很好的途径。其次是处理绳子拉力和合外力关系，用重力的下滑分力平衡摩擦力也是对前面力的分解知识的应用。最后，通过打点计时器在纸带上打出的点迹的测量与数据分析得到小车瞬时速度，是对测量和速度公式的理解和应用。以上几个方面很好地综合前面所学的知识点，既是对已知知识的理解和应用，又是通过自主探究获得新知的过程，对培养学生的动手能力和思维能力都很有帮助。同时，如果实验数据误差比较大，还需要启发学生进行合理的误差分析，找出出现误差的原因，并对实验的方案进行改进，比如有的学生就用“倍增法”简化探究过程，让小车拉力或者小车质量倍增，测量加速度的变化。这个实验如果用DIS实验就会让探究过程空洞，因为绳子拉力可以用拉力传感器精确测量，小车的加速度也可以用位移传感器结合计算机精确测量，无论是设计过程还是数据处理都失去了学生探究和锻炼的价值，所以这样的实验还是传统实验更有优势。传统实验的优点：培养学生逻辑思维能力、数据处理能力和实验误差分析能力。

四、优势互补，提升课堂效率

综上，DIS實验只能作为课堂的有益补充，而不能完全取代传统课堂实验，只有充分结合二者的优点，取长补短、相互结合，才符合新课程标准中培养学生物理学科核心素养的目标。教学实践中要充分发挥学生主观能动性，多设计能开发学生探究能力的实验，尽量利用身边器材简化设计思想做一些小实验，可以取得意想不到的效果。部分传统方案无法完成的实验，要充分发挥传感器的优点，完成教学突破，提高学生的学习积极性和对物理学科的兴趣。在当前物理教学大单元视角的背景下，综合运用一切教育资源，培养学生的科学探究能力，培养实事求是的科学态度，培养学生的可持续发展能力而不是做题能力，是我们在高中物理教学中要追求的最终目标。

参考文献：

[1]杜晓贺，倪敏，郭强友，等.基于核心素养的物理实验教学——以DIS简单逻辑电路实验为例[J].物理实验教学，2019（11）：8588.

[2]肖晓萍.体验性探究——新课程的价值追求为[J].中学物理教学参考，2020（2）：3233.

责任编辑：黄大灿