高中物理传统实验与DIS实验的比较研究
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作者:李文渊
摘 要：DIS实验是利用传感器、数据采集器将一些非电学量转换成电信号，再通过计算机的运算，在荧光屏上显示出各个物理量，或者绘制出各类物理图像来分析实验结果的实验方法。它具有简洁、快速、准确、直观的特点，已经成为现代中学物理非常重要的实验教学手段。研究DIS实验与传统实验之间的优劣，明确DIS实验对于优化中学物理实验的积极作用，并探究DIS实验在中学物理实验中的实施策略，为提升中学物理实验的教学质量创造现代化技术环境。
关键词：高中物理;DIS实验;传统实验;比较研究
一、 引言
随着信息技术的发展，中学物理的实验手段也在不断发展进步。DIS实验系统可以利用传感器、数据采集器能够将位移、速度、加速度、力、压强、温度等非电学量转换为电信号，通过处理软件及计算机的运算，将测量的物理量显示在荧光屏上，或者绘制出各类物理图，用来进行实验结果分析的一种数字化信息系统实验装备。利用DIS实验系统可以使实验过程简单化、实验装备简易化、实验数据可视化、实验结果直观化，因此具有简洁、方便、准确、直观的特点，能够为中学物理实验教学创造现代化技术环境，已经成为现代中学物理非常重要的实验教学手段。本文将通过实验教学实践与对比研究，对于DIS实验与传统实验之间的优劣做出判断，明确DIS实验对于优化中学物理实验的积极作用，为在中学物理实验中运用DIS实验系统探明方向，充分利用数字化信息技术手段为中学物理实验教学开辟新的路径。
二、 传统实验与DIS实验的器材比较
（一）DIS实验器材
DIS（Digital Information System）实验器材主要是现代高科技装备材料，是以数字化信息技术理论作为技术理论支撑，其核心设备有：传感器、数据采集器、实验软件及计算机等，其中传感器中包括电流、微电流、电压、温度、声波、位移、力、磁、光电门等多种设备。数据采集器与计算机以串行方式通信，采用四路并行输入，即可同时接入四种传感器并收集四种不同的物理量。
DIS实验软件是一套数据处理系统，是一种计算机运算程序。其中实验软件包括教材实验专用软件和实验通用扩展软件两种。教材实验专用软件是专门针对物理教材中的每一个实验开发的，几乎能够满足物理教材中的所有演示实验和学生实验的需要。实验通用扩展软件是为了丰富物理实验路径，为教师和学生提供更为广泛的探索与创新实验设计的实验处理软件，利用这些软件教师和学生可以自己设计实验，进行个性化的实验与学习。
DIS实验器材的特点是能准确、动态地采集实验信息，并能够利用函数图像处理功能，由计算机及实验软件辅助实现数字化显示，快速、直观、形象地展示出实验结果。
（二）传统实验器材
纵观现有的传统物理实验器材，大多都是以最基础的物理测量、演示仪器为主，是以实现最基本的物理知识和物理现象作为理论支撑，其主要设备有：学生电源、弹簧测力计、打点计时器、秒表、直尺、游标卡尺、螺旋测微仪、天平、静电计、电压表、电流表、多用电表、温度计等等。
传统实验器材的特点是功能单一、测量繁多、组合复杂，进行一个实验都必须由多种仪器组合起来实现，组合附件多、调节难度大，使得实验进程缓慢，精度不高，实验信息处理只能由人工进行大量的计算、作图和分析。
三、 传统实验与DIS实验的实验误差比较
（一）偶然误差
偶然误差是实验中由于操作和读数不准确造成的误差，在传统实验中偶然误差在整个实验误差中具有相当大的占比。而DIS实验系统是自动采集实验信息（数据和方向），因而可以基本消除实验过程中的偶然误差。因此，对于偶然误差明显是DIS实验优于传统实验。
（二）系统误差
对于系统误差，即实验器材与方法带来的误差，我们通过几个测量工具进行比较分析。时间测量工具：传统实验中一般都是利用秒表或者是利用打点计时器测量时间。秒表的最小数量级为0.1秒，如果算上估读到0.01秒。而打点计时器是每个点间隔 0.02 秒。而用DIS实验系统中测量时间的调整范围在“0.1ms～7500ms”之间。它能根据不同实验的要求选择“快”“默认值”“慢”三个挡位进行调节测量时间的精度和范围。温度测量工具：传统实验中测量温度都是利用水银温度计，水银温度计的精确度只在小数点后两位，而且小数点后第二位已经是估计值。而用DIS实验中的温度探头（温度传感器）测量温度变化，不但可以准确地测量出任意时刻的温度，而且它的测量范围在（0℃～100℃），精度为±1%。从以上测量工具的精确度不难看出，DIS实验在系统误差上也明显优于传统实验。
四、 传统实验与DIS实验的时间比较
在实施课题研究的过程中，分别对DIS实验与传统实验中的操作时间与学生交流讨论时间进行了跟踪记录，在获取大量对比数据的基础上，取平均值进行统计分析，下面以表格形式列举四个实验予以说明，如表1。
从表1明显可以看出，在操作时间上DIS实验比传统实验基本要少于一倍以上，这样就可以减少重复性操作，学生可以用更多的时间和精力对物理过程和实验误差进行分析，来探究物理实验的实质性问题，掌握更为丰富的物理知识。
五、 传统实验与DIS实验的数据处理对比
实验数据处理是物理实验十分重要的步骤，也是体现实验教学效果的关键环节。传统实验的数据处理都是要学生通过实验记录的数据进行大量的运算，或者在坐标纸上利用描点法进行手工作图，既要花大量的时间，还存在大量的偶然误差，可能使得实验结果不准确，甚至导致实验失败。而DIS实验能够自动收集数据，并通过实验软件将计算结果或图像直接呈现在荧光屏上，通过导出程序下载，或者直接打印出来，而这些过程可以在很短的时间内由计算机自动完成。特别对于图像的处理非常准确、快捷，是手工作图无法比拟的。下面以“探究气体压强与体积关系”的实验为例作以比较。
在“探究气体压强与体积关系”的传统实验中，需要测量读取5组以上的压强（p）、体积（V），然后在坐标纸上以压强（p）建立纵轴、以体积（V）建立横轴，根据数据利用描点法描出实验点，再根据描出的点画出光滑曲线，而这个画光滑曲线的过程学生很难掌握，往往要花很长的时间，并且由于画出的图线是曲线，无法判断压强与体积的具体关系，又要将体积（V）的数值计算成1V的值，再进行作图，得到的图线为一条倾斜的直线，才能得出：气体压强与体积成反比的实验结论。以上实验数据处理过程往往要花上十分钟左右的时间。
如果利用DIS实验系统，上述实验数据的处理过程就相当简单，数据直接由计算机收集生成到表格中，利用专用的实验软件，自动生成数据点并形成图线，如图1所示。
再利用计算机将体积（V）的数值计算成1V的值，再进行作图，就可迅速得到p1V的图线，如图2所示。
从以上图示明显体现出利用DIS实验系统进行数据处理的优势所在：作图简洁精确，用时极短。避免了手工作图的烦琐与粗略。
六、 结语
通过上述对比分析，DIS实验与传统实验相比较有诸多方面的优势，其实验器材、实验操作、实验时间、实验精确程度、实验数据处理等方面都普遍要比传统实验要优越，实验效果更好。但也要注意到，使用DIS实验会大量减少实验操作过程，这对学生的动手实验能力的提高有着不小的冲击，还有由于大量使用传感器测量物理量，对于测量工具的使用就会大量减少，这也会使学生在正确使用测量工具的技能上造成一定程度的影响，等等。因此，我们认为不应完全抛弃传统实验，有效的做法应该是对传统实验与DIS实验进行合理整合，让两类实验都能最大限度地发挥出各自的教学优势，培养和提高学生的实验能力与综合素质。
作者简介：
李文淵，甘肃省定西市，甘肃省临洮中学。
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