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摘要:促进信息技术与学科课程的整合,逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革,是高中新课程标准提出的要求。为了体现这种要求,各种版本的高中物理新课程中都出现了数字化信息系统的内容。基于此,本文对数字化信息系统的教学功能与传统实验的教学功能进行了比较研究,本文对如何利用数字化信息系统进行高中物理实验开发,提供了很好的范例。
关键词:数字化信息系统;实验开发
《基础教育课程改革纲要(试行)》指出:“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用,促进信息技术与学科课程的整合,逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革,充分发挥信息技术的优势,为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”《高中物理课程标准》中指出:“重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用,诸如通过计算机实时测量、处理实验数据,分析实验结果等。”随着实验手段的显著进步,数字化信息系统提供了一个与传统实验不同的数据采集工具,先进的数据处理手段,可以在中学实验领域,有一块属于自己的领地。
物理学科是一门建立在实验基础上的自然科学,实验对中学物理概念规律的建立,其作用不言而喻。但传统的物理实验手段,其实验结果常常让老师非常尴尬,在电磁学和物理光学中,其矛盾更加突出,老师只能变作实验为讲实验。如何发挥传统实验与数字化信息系统的互补功能,相互配合,更好地为中学课堂服务,是老师们非常关心的问题。
一、DIS数字化信息系统的原理与功能介绍
在中学物理教学中,DIS也就是digital information system两个词的缩写,是数字化信息系统的简称。DIS实验系统有两大类,分别为:图形计算器实验系统和计算机辅助实验系统。图形计算器实验系统是一种由传感器、数据采集器与图形计算器组合起来,共同完成对物理量测量的装置。常用的传感器有位移、力、光电门、电压、电流、磁场、压强、温度、声波等物理传感器。
二、 数字化信息系统与传统实验的比较研究
1.实验器材的比较。
(1)相同点:都采用真实的实验,来获得数据。因此,两者源头是一样的,也可以采用相同的实验原理,这就保证了两者同样真实可信。
(2)不同点:①仪器的精度不同。经典实验仪器其中主要包括:秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、温度计等等,数字化信息系统代之以微电流、电压、温度、声波、位移、力、磁、光电门等多种传感器设备,实验的精确程度更高。②采集数据的方式不同。经典实验仪器只能静态的采集数据,很难动态的反应过程中物理量之间的定量变化的关系,而数字化信息系统系统是能快速、准确、动态地采集实验信息,并实现数字化信息系统显示。③数据处理的方法不同。经典实验仪器只能采集数据,数据处理全由人工进行,运算量很大,数字化信息系统的数据处理全由计算机进行,计算机软件中提供了大量的数学的物理的处理数据的工具,给探索物理规律带来了很大方便,也节约了大量的时间。④局限性不同。经典实验仪器对动态的、声波、电场、磁场、电场感应等章节的实验,不能做或效果很不好,数字化信息系统有其独有的精度与动态显示的功能,大大拓展了经典实验的空间,给学生们展现了一个直观的精彩的物理世界。⑤仪器的黑箱性质不同。经典实验仪器的实验原理学生比较清楚,物理思想清晰,严谨,知其然而后知其所以然,学生比较容易认同,容易操作,数字化信息系统的器材学生只能知道其功能,并不知道为什么具备这样的功能,老师也不能讲解其实验原理,对学生而言,该仪器一个黑箱,一定程度上影响了学生的信任程度。⑥误差不同。在数据的采集,数据的处理方面,DIS实验设备更加方便,由于DIS实验的数据的采集与人无关,因此没有人为的偶然误差,而数字化信息系统的精度远比经典仪器高得多。
2.高中物理DIS数字化信息系统与传统实验用于教学过程的比较。
(1) DIS数字化信息系统操作简单、结果准确。只要对该系统的软件有了充分的理解,从实验操作到软件操作,都很容易完成。很多实验,用经典器材很难做好,而用DIS数字化信息系统,则很容易操作。例如:新教材增加了验证向心力公式,课本用圆锥摆,通过经典器材来完成,操作比较复杂,而且误差比较大,如采用郎威专用的验证向心力的器材,使用力传感器和光电门传感器进行配合实验,利用力传感器测量出向心力,利用光电门传感器测量出速度,通过电脑能很快准确地得到向心力与速度、角速度的定量关系。
(2)DIS数字化信息系统与传统实验的互动交流时间与操作时间的比例有很大的差别,利用DIS数字化信息系统,学生之间的讨论交流分享的时间通常比利用传统实验器材的多。
三、 DIS数字化信息系统进行实验设计的方法
1.直接替代法。
将传统的实验仪器,如弹簧秤、电流表、电压表直接替换成力传感器、电流传感器、电压传感器等。这是最直接、最简单的一种应用。其实验目的,仅是为了增加实验的精度,简化数据的处理。其实验设计,与经典实验是一样的,从实验的目的出发,选择实验原理,选择实验器材,确定实验步骤。保证原理科学可行、操作方便、误差要小的实验设计原则。
2.放大法。
其放大法分为两个方面:第一,硬件放大。利用提供更加灵敏的数字化传感器,进行测量。如利用电流传感器,可以用来研究电磁感应现象中产生的微小电流,利用磁感应强度传感器,可以测量较小的磁感应强度。第二,软件放大法。借助软件的放大功能,对所测量的物理量,进行放大,更加清晰地反映物理量的变化。
3.电压转换法。
某些物理量不容易直接测量,或某些现象直接显示有困难,可以采取把所要观测的变量转换成电压进行间接观察和测量,利用电压传感器进行测量,这就是电压转换法。如可以把加速度的测量,通过变阻器转换成对电压的测量,用电压传感器进行显示,如两个振动的位移叠加,可以把位移转化成电压,利用电压传感器进行电压叠加,就可以看到不同相位,位移的叠加效果。如通过霍尔原件,可以把磁场信号或电流信号,再转换成电压信号,或液体的速度信号,转化成电压信号,运用电压传感器进行测量。
4.图像留迹法。
利用数字化信息系统实时采集功能,将快速的物理过程,通过计算机的处理,实时显示出来,加深对物理过程的认识。如可以通过位移传感器,结合计算机处理数据,实时显示位移时间图像,通过电流传感器,实时显示电容器充电放电的电流图像。利用声传感器、光强传感器,实现声音、光强的可视化。
5.组合图像法。
将不同的物理量进行同步组合,以发现物理量之间的规律。如研究简谐振动中,力(加速度)与位移之间的关系,可以同步显示F-t图像、X-t图像、F-X图像,通过计算机软件进行图像的动态同步组合,能较快地发现物理量之间的联系,有利于物理概念与规律的建立。
6.数学处理的方法。
①图像拟合法。软件中提供了图像拟合工具,可以对物理量之间的关系进行猜想、拟合,给学生的探究性学习,探索物理规律,提供了一个全新工具。②图像微分、积分法。利用软件的该功能可以处理变力问题,如变力的功、变力的冲量,都可以通过计算机进行处理,利用该功能进行研究性学习。对所得到的图线,进行微分处理,如画出位移时间图像进行微分,可以得到速度时间图像,如画出速度时间图像进行微分,则可以得到加速度时间图像。
4 展望
本文对DIS数字化信息系统与传统实验作了一些比较研究,但如上所述,对如何才能使DIS数字化信息系统与传统实验做到优势互补,本文的研究并不具体,必须进一步研究利用DIS数字化信息系统的优势,开发了一些实验。各章节传统实验与DIS数字化信息系统的数量比例、开设内容,明确各个传统实验与DIS数字化信息系统的培养目标的差异,系统安排,使学生的能力得到全方位有效的培养。唯有这样,中学老师们才会放心地使用DIS数字化信息系统,DIS数字化信息系统也才能找准它的位置。
参考文献:
[1]陶洪.物理实验.广西教育出版社,1996年版.
[2] 何克杭.教学系统设计.北京师范大学出版社,2002年版.
[3]钟志贤.信息化教学模式一理论建构与实践例说.教育科学出版社,2005年版.
[4]乔际平,刑红军.物理教育心理学.广西教育出版社2002年版.
编辑/岳凤
关键词:数字化信息系统;实验开发
《基础教育课程改革纲要(试行)》指出:“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用,促进信息技术与学科课程的整合,逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革,充分发挥信息技术的优势,为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”《高中物理课程标准》中指出:“重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用,诸如通过计算机实时测量、处理实验数据,分析实验结果等。”随着实验手段的显著进步,数字化信息系统提供了一个与传统实验不同的数据采集工具,先进的数据处理手段,可以在中学实验领域,有一块属于自己的领地。
物理学科是一门建立在实验基础上的自然科学,实验对中学物理概念规律的建立,其作用不言而喻。但传统的物理实验手段,其实验结果常常让老师非常尴尬,在电磁学和物理光学中,其矛盾更加突出,老师只能变作实验为讲实验。如何发挥传统实验与数字化信息系统的互补功能,相互配合,更好地为中学课堂服务,是老师们非常关心的问题。
一、DIS数字化信息系统的原理与功能介绍
在中学物理教学中,DIS也就是digital information system两个词的缩写,是数字化信息系统的简称。DIS实验系统有两大类,分别为:图形计算器实验系统和计算机辅助实验系统。图形计算器实验系统是一种由传感器、数据采集器与图形计算器组合起来,共同完成对物理量测量的装置。常用的传感器有位移、力、光电门、电压、电流、磁场、压强、温度、声波等物理传感器。
二、 数字化信息系统与传统实验的比较研究
1.实验器材的比较。
(1)相同点:都采用真实的实验,来获得数据。因此,两者源头是一样的,也可以采用相同的实验原理,这就保证了两者同样真实可信。
(2)不同点:①仪器的精度不同。经典实验仪器其中主要包括:秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、温度计等等,数字化信息系统代之以微电流、电压、温度、声波、位移、力、磁、光电门等多种传感器设备,实验的精确程度更高。②采集数据的方式不同。经典实验仪器只能静态的采集数据,很难动态的反应过程中物理量之间的定量变化的关系,而数字化信息系统系统是能快速、准确、动态地采集实验信息,并实现数字化信息系统显示。③数据处理的方法不同。经典实验仪器只能采集数据,数据处理全由人工进行,运算量很大,数字化信息系统的数据处理全由计算机进行,计算机软件中提供了大量的数学的物理的处理数据的工具,给探索物理规律带来了很大方便,也节约了大量的时间。④局限性不同。经典实验仪器对动态的、声波、电场、磁场、电场感应等章节的实验,不能做或效果很不好,数字化信息系统有其独有的精度与动态显示的功能,大大拓展了经典实验的空间,给学生们展现了一个直观的精彩的物理世界。⑤仪器的黑箱性质不同。经典实验仪器的实验原理学生比较清楚,物理思想清晰,严谨,知其然而后知其所以然,学生比较容易认同,容易操作,数字化信息系统的器材学生只能知道其功能,并不知道为什么具备这样的功能,老师也不能讲解其实验原理,对学生而言,该仪器一个黑箱,一定程度上影响了学生的信任程度。⑥误差不同。在数据的采集,数据的处理方面,DIS实验设备更加方便,由于DIS实验的数据的采集与人无关,因此没有人为的偶然误差,而数字化信息系统的精度远比经典仪器高得多。
2.高中物理DIS数字化信息系统与传统实验用于教学过程的比较。
(1) DIS数字化信息系统操作简单、结果准确。只要对该系统的软件有了充分的理解,从实验操作到软件操作,都很容易完成。很多实验,用经典器材很难做好,而用DIS数字化信息系统,则很容易操作。例如:新教材增加了验证向心力公式,课本用圆锥摆,通过经典器材来完成,操作比较复杂,而且误差比较大,如采用郎威专用的验证向心力的器材,使用力传感器和光电门传感器进行配合实验,利用力传感器测量出向心力,利用光电门传感器测量出速度,通过电脑能很快准确地得到向心力与速度、角速度的定量关系。
(2)DIS数字化信息系统与传统实验的互动交流时间与操作时间的比例有很大的差别,利用DIS数字化信息系统,学生之间的讨论交流分享的时间通常比利用传统实验器材的多。
三、 DIS数字化信息系统进行实验设计的方法
1.直接替代法。
将传统的实验仪器,如弹簧秤、电流表、电压表直接替换成力传感器、电流传感器、电压传感器等。这是最直接、最简单的一种应用。其实验目的,仅是为了增加实验的精度,简化数据的处理。其实验设计,与经典实验是一样的,从实验的目的出发,选择实验原理,选择实验器材,确定实验步骤。保证原理科学可行、操作方便、误差要小的实验设计原则。
2.放大法。
其放大法分为两个方面:第一,硬件放大。利用提供更加灵敏的数字化传感器,进行测量。如利用电流传感器,可以用来研究电磁感应现象中产生的微小电流,利用磁感应强度传感器,可以测量较小的磁感应强度。第二,软件放大法。借助软件的放大功能,对所测量的物理量,进行放大,更加清晰地反映物理量的变化。
3.电压转换法。
某些物理量不容易直接测量,或某些现象直接显示有困难,可以采取把所要观测的变量转换成电压进行间接观察和测量,利用电压传感器进行测量,这就是电压转换法。如可以把加速度的测量,通过变阻器转换成对电压的测量,用电压传感器进行显示,如两个振动的位移叠加,可以把位移转化成电压,利用电压传感器进行电压叠加,就可以看到不同相位,位移的叠加效果。如通过霍尔原件,可以把磁场信号或电流信号,再转换成电压信号,或液体的速度信号,转化成电压信号,运用电压传感器进行测量。
4.图像留迹法。
利用数字化信息系统实时采集功能,将快速的物理过程,通过计算机的处理,实时显示出来,加深对物理过程的认识。如可以通过位移传感器,结合计算机处理数据,实时显示位移时间图像,通过电流传感器,实时显示电容器充电放电的电流图像。利用声传感器、光强传感器,实现声音、光强的可视化。
5.组合图像法。
将不同的物理量进行同步组合,以发现物理量之间的规律。如研究简谐振动中,力(加速度)与位移之间的关系,可以同步显示F-t图像、X-t图像、F-X图像,通过计算机软件进行图像的动态同步组合,能较快地发现物理量之间的联系,有利于物理概念与规律的建立。
6.数学处理的方法。
①图像拟合法。软件中提供了图像拟合工具,可以对物理量之间的关系进行猜想、拟合,给学生的探究性学习,探索物理规律,提供了一个全新工具。②图像微分、积分法。利用软件的该功能可以处理变力问题,如变力的功、变力的冲量,都可以通过计算机进行处理,利用该功能进行研究性学习。对所得到的图线,进行微分处理,如画出位移时间图像进行微分,可以得到速度时间图像,如画出速度时间图像进行微分,则可以得到加速度时间图像。
4 展望
本文对DIS数字化信息系统与传统实验作了一些比较研究,但如上所述,对如何才能使DIS数字化信息系统与传统实验做到优势互补,本文的研究并不具体,必须进一步研究利用DIS数字化信息系统的优势,开发了一些实验。各章节传统实验与DIS数字化信息系统的数量比例、开设内容,明确各个传统实验与DIS数字化信息系统的培养目标的差异,系统安排,使学生的能力得到全方位有效的培养。唯有这样,中学老师们才会放心地使用DIS数字化信息系统,DIS数字化信息系统也才能找准它的位置。
参考文献:
[1]陶洪.物理实验.广西教育出版社,1996年版.
[2] 何克杭.教学系统设计.北京师范大学出版社,2002年版.
[3]钟志贤.信息化教学模式一理论建构与实践例说.教育科学出版社,2005年版.
[4]乔际平,刑红军.物理教育心理学.广西教育出版社2002年版.
编辑/岳凤