物理数字化实验讲稿(许显红)_大学物理实验讲稿
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DIS数字化实验系统在物理教学中的应用
讲稿
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各位领导、各位专家、各位同行，下午好！很荣幸为大家介绍我校DIS数字化实验在物理教学中的应用，借此抛砖引玉，如有不当之处，还请多多指教！
一、介绍PPT第1页——第7页
二、介绍DIS的特点 1．实验过程“可视化”
实验过程可视化包括实验过程空间可视性和实验过程时间可视性。
物理实验中，空间上细微过程人眼难以观察，一般借助于显微镜可以实现细致的观察。时间上细微过程难以捕捉，难以记录，是物理实验的一个难点，瞬间变化的可视化尤其是难点。例如初中的路程和时间的关系，响度、频率、音色不同的声波图象特点；高中阶段的碰撞与缓冲、弹簧振子的运动，电容充、放电电流i-t关系等等，这类实验以往一般只能定性讲述，或者用多媒体软件进行模拟演示。
怎样突破这个难点呢？传统的实验仪器由于人眼观察与手工记录的断续性，确实难解决这个问题。数字化实验通过与计算机连接的传感器实时采集数据，记录数据，实现了时间上细微过程的实验过程数据自动记录，相当于用传感器和计算机代替人眼、手、纸和笔记录数据，实现了数据记录的时间连续性，实现了瞬间变化“可视化”。例如将传感器技术引入声波图象教学，就可以在很短的时间内清晰地记录下各种响度、频率和音色的图像，同时组合到一张图片中，便于让学生直观地看到它们的特点。当然用传统的示波器也能研究声波的特点，实际教学中，往往有很多老师嫌麻烦，而用课件来展示，失去了物理实验的可信度。
（教师演示操作过程，注意“保存图象”是指在同一个图中重合多个对比图，“保存为”是将每一次的图保存为图
1、图
2、图3等，自动组合到实验报告中。）
2．数据采集“智能化”（1）表现之一是“自动化”
系统配置的软件可以设置采集器的各种参数，实现数据采集的自动化。功能强大的数据采集器可以自动把整个实验过程中物理量的变化完整的记录下来，存储在数据文件中。
（2）表现之二是“实时化”
由于采用计算机自动控制，系统能够在很短的时间内采集和处理大量的数据，同时将数据反映成图象，使实验结果更加直观。
（3）表现之三是“并行化”
数据采集器能同时接入四只相同的传感器或四个不同的传感器，能同时采集多个相同或不同种类的物理量，实现数据的同步并行采集。
实例：海波与石蜡的熔化实验：本实验极不容易成功，对管内外温度的控制要求较高；另外很难同时让两个实验共同进行；用常用温度计测出的数据误差也较大。所以我采用了数字化实验，使实验得到了很好的控制。（展示：海波实验的图片）3．数据处理“智能化”（1）“智能化”地进行实验重演
软件提供了回放功能，只要调用相应的实验模板和数据文件，就能够实现实验的重演，学生可以随意定格展示、随意缩放DIS实验图线。
（软件界面操作演示文件的保存、坐标的缩放）（2）“智能化”地进行数据拟合软件不但提供了对数据求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了数据拟合功能，图线面积求法──积分运算功能，和自定义运算功能。
（软件演示）
（3）“智能化”地创建实验报告
软件可以创建各种文档，如实验指导文档、实验报告文档、数据处理结果文档等。
（软件演示）
三、DIS反思：
（一）优点： 1．教学内容广泛．
物理学中的力、热、声、光、电、磁等方面均有相应的探头进行相关实验，甚至化学、生物等学科均有相应的探头和软件。
（点击软件中的“初中物理”、“初中化学”等按钮，展示各个实验名称。）2．教学方式创新：增添了一种现代化实验教学手段。数据采集器已在实际的现代生产、生活中得到了广泛的应用。数据采集器在中学物理实验的应用，使学生能提早接触和熟悉数据采集器，适应时代要求。
3．教学效果显著
数字化实验设备的使用使原来不容易实现的实验或者无法定量分析的实验均能顺利完成，大大激发了学生的兴趣，活跃了课堂气氛，提高了教学效率。
4．教学真实性强
以传感器为主的数字化实验室仍以学生的真实实验为基础，很好地抓住了信息处理的三个重要环节（采集、处理和表达），从而有效实现了信息技术与理科学科实验的整合。
（二）缺点：
1．设计数据采集和处理软件时，没能完全了解中学理科教学实验的要求。系统只一味地突出现代化特点和数据处理的智能化。
2．传感器的精确度、采样率问题。
如距离传感器，它的原理都是基于测量超声波脉冲传播的时间，然后根据声速算出距离．据我所知，这里所用的超声波，波长都是厘米级的，那么分辨率应该不可能比厘米还小很多。曾设想用它来反映物体表面的微小形变，结果失败。
再比如：不少产品的最高采样率（每秒采集的数据个数）是1000个/s，以这样的采样率用声音传感器来记录一支频率384Hz的A调音叉的声音振动图线，就完全不可能了。
四、结束语
现在的数字化实验系统有这样强大的数据采集和处理能力，几乎可以完成中学理科教学中的大部分实验。但我个人认为，对一种新的技术，应该既看到它的长处，也看到它的不足；既要弄清楚它适合做什么，也要弄清楚它不适合做什么．例如做力的合成分解实验，力的大小用弹簧秤来测量就比用力的传感器来测量要方便且直观得多
又如稳恒电路中电流、电压的分布，而且只是采集少量的数据，也没有必要用电流、电压传感器来代替普通的指针式电表。
再如在中学这样一个基础教育的阶段，传统实验方法的训练对学生实验能力、科学素质的培养是必不可少的．尽管数字化实验系统有强大的数据处理功能，学生仍应首先学会设计实验图表，在图表中手工标定数据点，正确地作出实验图线。
总之，数字化实验室对转变学生的学习方式、提高实践能力、培养创新精神等方面是值得肯定的。数字化实验设备的在中学物理教学中的运用，无疑是一场新的革命，对于教学理念、教学过程、教学内容、教学方式、教学效果等都会产生深刻的影响。
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