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高中物理“力学”实验教学中DIS实验与传统实验的对比研究
摘要：DIS实验是随高中物理新课程改革而引入高中物理实验教学过程中的，是一种与现代科学密切相关的实验方式，具有便捷、直观、实时、准确等特点。在高中物理实验教学中采用DIS来设计，不仅使某些用传统实验方式无法实现的实验得以顺利完成，而且能促使学生了解先进的科学技术，获得科学的学习方法，形成正确的学习态度。但是，在高中物理“力学”实验教学过程中，并不是所有实验都适合用DIS来完成。本文结合DIS实验和传统实验各自的特点，分析了他们各自的优势和弊端，并进行了实验对比，最后通过研究和比对，对高中物理“力学”中涉及到的绝大部分实验进行了分析和研究，对个别课本上已有的DIS实验设计方案提出了改进意见，目的是为了使实验过程中的变化更为明确、现象更为清楚，而且改进后的设计方案能从定量的角度反映实验过程中的变化，改变传统的实验教学方式，使实验教学更加有效。
关键字：DIS,高中物理,数字,实验教学, 传统实验
一、选题的背景及意义
（一）传感器及DIS实验的概念区分
高中物理中使用的传感器是以某些特定的标准和规则把被测量的物理量转换为与之对应的电信号的一类测量装置。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。它的功能首先在于“感”，即可将距离、速度、力、热、声、光、电、磁乃至酸碱度、导电率、气体含量等多种变量转换成电信号，以电信号的不同变化体现对外界变量的感知；其次在于“传”，电信号可被放大、转换、传输、编码、读取，可以通过数码管显示，也可以被计算机加以处理。
DIS是英文Digital Information System三个词的缩写，也是“数字化信息系统”的简称，DIS的核心组成部分为传感器和数据采集器，因此，“数字化信息系统”是一套基于传感器技术的信息系统。DIS实验是指运用数字化信息技术手段的实验。实验系统是由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件构成。由于传感器应用于高中物理实验是物理第二期课程改革中的一大亮点，它给高中物理实验教学带来了技术、方法的革新，体现了创新精神，改变了实验设计思想和手段，同时也更新了教育理念，甚至可以改变传统的课堂实验教学模式，以达到高中物理实验探究的教学目的。
在新教材中，很多高中物理实验都可以采用这样的设计模式：用一系列高中物理专用的教学传感器并辅以专用的教学软件及配套的教学仪器，快速、高精度地实时采集力、位移、速度、电流、磁感强度等多种物理量的数据，数据通过并将数据采集器处理后上传到计算机，由教学软件进行处理和分析，然后得出相应的分析结果和图像，最后得出结论。期中传感器是用来快速、高精度地实时采集实验数据，并将其转变为相应的电信号输送给数据采集器；数据采集器是连接传感器和计算机的纽带，对传感器输送过来的电信号进行转换和分析分析，然后将结果传输给计算机，最后利用计算机进行显示和处理，得出结果。
（二）问题的提出
在信息技术高速发展的今天，数字信息化深刻的影响着人们现阶段的生活，它使人们的生活方式、思维方式、交流方式都发生了质的变化。借助先进的信息化技术，人们可以多而快的获取信息，分析和处理信息。中国教育当然也收到了信息化技术的影响，极具潜力的DIS实验技术随之在全国主要大中城市的中学教育中逐渐推广和使用了。为加强高中物理实验教学，《普通高中物理课程标准（实验稿）》中明确指出：“物理实验是高中物理教学中的重要内容”。“教师应该积极开发适合自己教学的实验项目，并尽可能利用各种实验资源，使用各种不同型号、规格的仪器做实验。鼓励将电子计算机等现代多媒体技术应用在物理实验中”。“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”。[1]
新课程教学中倡导“探究式教学”，强调学生独立思考的能力、合作学习的能力以及创新精神的培养，计算机和物理实验课程的有机结合，以人与计算机配合的方式实现实验过程，并借助计算机处理实验数据，极大地方便了学生进行探究实验。利用计算机和数据采集系统进行高中物理实验，形式新颖、内容丰富、操作简单、数据处理方便，从而给高中物理实验教学注入了新的活力。
在高中物理“力学”实验教学中，DIS实验和传统实验相比究竟有什么优势？使用DIS实验，传统实验是否可以完全退出“历史舞台”？ 两者应如何取长补短使高中物理实验教学得到优化？本课题将通过一些具体实例，通过选择不同对象、不同内容，并确定相应的实验手段，来探讨如何使高中物理实验教学效果更有效，并能在实验过程中培养学生的探究能力，以达到新课标对学生的实验水平的要求。
（三）选题的意义
1现代教育理念赋予基础教育新的内涵
传统的教学模式是教师的“教”与学生的“学”相结合的模式，“教”与“学”在实际教学中是分开的，教师只管教，至于学生是否能学会、学懂并不是教师教学过程中所关心的主要问题。[2]现代教学观认为教学从本质上是一种“沟通”与“合作”的交往活动，交往包括对话、参与、相互建构，其中“对话”是教学活动的重要特点。在信息交流中可以很容易实现师生互动、相互沟通、相互影响、相互补充，从而达到共识、共享、共进的教学目的。
传统的教学过程观中有以“教”为中心的教学过程观和以“学”为中心的教学过程观，后来发展为“以教师为主导，以学生为主体”的双主教学过程观。华东师范大学的叶澜教授认为“教”与“学”在教学过程中是不可分离的，是相互依存的整体。课堂教学的基本单位不是“教”，也不是“学”，而是“教学”如何“互动生成”。教学中的“生成”包括两种，一是因开放性的互动产生了新的教学资源，称为“资源生成”，二是对新生成的教学资源及时的重新整理、重组，形成不同于教学设计内容和程序的新的东西。[3]因此，教学不是一个静态的过程，而是一个充满活力的动态过程，教师和学生的角色不再是固定的教师为主导、学生为主体，而是交互主体。
在我国把学生的全面发展作为学校的教育目的，这就决定了学校教育要完成德、智、体、美、劳五个方面的教育任务。但是，一旦到了教学中便习惯上人为的将之分开，把德育交给政治学科，智育交给数理化学科，体育交给体育学科，美育交给美术学科，劳动技术教育交给劳动学科，再加上高考指挥棒的作用，这就造成了教师讲，学生记，再加之反复练习的应试教学模式，好多地方学校的实验课都流于形式，设而不上，怕占用学生做题的时间，这样在很大程度上抑制了学生智力的发展，掩盖了学生的个性，使我们的学生严重缺乏创造性。基于这些方面的不足，在高中物理新课程的实施过程中，侧重了学生创造力的培养和个性的发展，因此，高中物理的实验探究自然而然成为培养学生创造力和个性的重要手段，也成为转变学生学习方式的重要过程。新的实验器材传感器、数据采集器在新课程的实验教学中也随之出现，各个学校的数字化实验室也相继建立，物理实验的地位达到了相应的高度。在《高中物理课程标准（实验稿）》中提出：“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，诸如计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。” [4]
高中物理新课程具体目标强调知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维目标的统一。情感不仅指学习兴趣、学习热情、学习动机，更指内心体验和心灵世界的充实。态度，不仅指学习态度，更是指乐观的生活态度，求实的科学态度，宽容的人生态度。价值观，不仅指个人的价值，更强调个人价值与社会价值的统一，从而使学生从内心确立真、善、美的价值追求以及人与自然和谐可持续发展的理念。[5]当然，每节课都要完成这些目标是不切实际的，但是我们每节课都应该向这些目标去努力。
为了配合新课程的实施，学生的学习方式也要进行转变。学习方式不是指具体的学习策略和方法，而是学生在自主性、探究性和合作性方面的基本特征。转变学生的学习方式就是转变学生单一的被动的学习方式，提倡和发展多样化的学习方式，特别提倡自主、探究、合作的学习方式，是学生的创造性、能动性不断地得到发展，让学生的创新意识、实践能力不断得到增强。当然，从旧的学习方式转变到适应新课程理念的新的学习方式不是那么容易的，这其中需要教师的帮助和学生自身的努力，教师要把课堂交给学生，把提问的权利、质疑的权利、发表意见的权利、评价的权利还给学生。
从以上的论述容易看出，时代的发展、社会的需要，要求基础教育要培养出具有创造能力和自主学习能力的适应现阶段发展需要的开拓性人才。而自主性学习、合作性学习、探究性学习必将成为学生学习的主要方式。
2现代教育理念下的高中物理“力学”实验教学需要DISLab
DISLab是英文Digital Information System Laboratoryd的缩写，意为“数字化信息系统实验室”。DISLab是传统实验室与现代化计算机技术，通讯技术，电子技术，多媒体技术等相关信息加工处理技术的有机结合。
其特点为：
（1）基于Windows系统的显示，例如曲线图，数据表，测量等；
（2）广泛的分析工具，包括积分，统计，曲线拟合，计算数列，检查和修改等；
（3）多通道的数据运行；
（4）在保存实验文件前，方便的传感器设置和实验设置 ；
（5）在文本窗口中注释图表和记录。
其教学功能有：
（1）“科学的分配了教学时空” [6]
由于数字化实验室采用了传感器+数据采集器+计算机的体系结构，使得其具备了“实时实验”的功能，即可以对实验的过程进行实时的跟踪与数据的采集，同时还完成了数据处理。这就将教师与学生从以前那种数据读取、记录、运算以及图线描绘等繁琐的劳动中解放出来，为学生的自主探究、小组协作与充分的体验提供了足够的时间和空间。
（2）利用新技术填补了测量的空白
数字化实验室凭借传感器技术弥补了传统实验中的多个空白，解决了物理实验中精确采集数据的难题，同时系统辅以相对完善的软件系统，可以进行很多利用传统实验装置想做而又做不到的实验。
（3）实现了跨学科融合教学
在传统实验中，物理、化学、生物实验室相互独立，实验室的功能单一。在新课标中提倡跨学科的探究实验，而这种实验在传统条件下即费时又费力，而且实验效果并不理想。数字化实验室依托软件平台，能较好的解决上述问题。学生可以同时、同地的测量同一实验的理、化、生的不同量，在真正意义上实现了跨学科的实验教学。
（4）实验过程与结果的可视化
在有些物理实验中，实验现象并不明显，或是实验过程十分短暂。例如高中物理中“研究弹性形变中的微小形变”实验，教师与学生在观察此类实验时难度较大，实验数据的测量也很困难。数字化实验室由于装备了高灵敏的传感器探头、摄像装置，可以将实验过程以视频方式储存并重放，实现了实验的可视化，同时可以根据要求放慢或加快播放速度，而且摄像头的变焦功能可以对实验的某个细节进行放大，便于观察。
在传统实验中，实验者在实验后为了直观的理解测量值之间的关系，通常要手工绘制函数图像。在数字化实验室的软件系统中提供了曲线拟合功能。计算机在采集、计算、分析实验数据后会按照实验者要求自动绘制函数图像，使得实验结果以图像方式直观的呈现出来。
（5）将“黑箱”变为透明，可激发学生学习的兴趣
传统实验装置自身的内部结构对于外界来说是不可见的“黑箱”，很少有学生去探究实验器件本身的原理。而在数字化实验室中，大多数的仪器外壳是透明的材质。学生可以很清晰的看清楚各种仪器的内部构造，有利于激发学生探究未知世界的兴趣。
总之，DISLab 提供了许多传统实验室无法达到的教学功能，符合新课程的教学理念，能激发学生的探究热情，能培养学生的创造力。
（四） 研究目标
在乌海市第一中学，DIS实验用于高中物理实验教学刚刚起步，数字化实验室正在筹建中，很多有关高中物理DIS实验方面的问题还在探讨。例如：如何将DIS合理地运用于教学，高中物理哪些实验适合使用DIS来完成，哪些实验不适合使用……
由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件构成新型DIS实验系统，巧妙地做到了课程与信息技术的有效结合，具有强大的信息采集和信息处理能力，可以实时、高效地处理各种实验数据，可以实现联网互通，具有便捷的交互功能。DIS因新课程改革而出现，新课程改革因DIS的出现而深入。但是，并非所有的高中物理“力学”实验都适合用DIS来完成，这就需要深入了解传统物理实验与DIS实验各自的特点和优势，将两者有机的结合，以达到教学效果的优化处理。DIS的出现使教学面临新的机遇和挑战。如何通过观念的转变，进一步研究教学过程中的各个环节，使DIS的实验教学更具针对性和实效性，逐步加强对学生科学方法的训练和科学精神的培养，提高学生的科学探究能力。这是作为一名一线教师不得不思考的问题。
本课题在文献研究和现状调查的基础上，通过教学实践与研究，总结出部分高中物理“力学”实验的DIS设计方案，并进行部分传统实验和DIS实验的结合与互补；研究出高中物理“力学”DIS实验教学的策略与方法，并对部分高中物理的“力学”实验书写出教学案例，同时对DIS实验室的建设、运作与管理方式进行一定探索和研究。通过教学研究实践，优化教学设计，进一步转变教师教学方式，并拓展学生探索活动的范围，提高学生的探究能力。同时，通过实验探索，为本学校其他教师的教学提供经验和范例，充分发挥教学资源共享的教学理念。
利用传感器技术对部分传统实验进行改进，使实验过程变得简单、清楚，使教学模式得以更新，以达到更好的教学效果。
本文通过对DIS实验系统在高中物理“力学”实验教学中的应用作一个充分的调查和研究，以了解学生在DIS实验运用方面的总体情况，比较DIS实验与传统实验各自的优势和教学弊端，研究如何应用好实验器材才使学生的动手能力、创造思维能力有更好的发展。
（五） 研究内容
1 DIS系列实验设计的开发研究
在新课程中，教学目标发生了的转变很大，由以往的教会学生某些知识，转变为培养学生掌握某些技能。乌海市第一中学物理组本着运用DIS的优势，辅以传统实验，进行科学探究活动，包括问题的提出方案的制定，方法的运用，过程的展开，数据的采集，结果的分析……。针对不同的学生，分层次进行实验教学。
2 DIS实验和传统实验的整合研究
通过DIS实验与传统实验的整合，使学生在探究过程中培养自主学习的能力，逐步实现学习方式和学习方法的转变，培养学生掌握新课程下的学习方式，使学生能养成敢于质疑，善于交流，乐于合作，勇于实践的科学态度。高中物理实验教学过程是让学生再发现、再创造的过程，让学生在教师引导下，自主地进行发展与创新，是DIS实验和传统实验整合教学的基本思路。
3 DIS实验教学的策略与方法的研究
新教材中的高中物理教学以科学探究为主线，以物理现象、概念和规律为的掌握为主要教学目标，强调学生在实验活动中的参与和体验。
为了达到以上教学效果，在物理组内我们经常加强有关的理论学习，对有关教学内容进行重新梳理，深刻领会有关这一课题的理论在实际中的运用和操作方法，并且聘请有关的专家和学者从工作和理论上给予指导。另外，在实验过程中，通过学生实验评价表、兴趣调查表、教师的观察等收集有关的资料和数据，进行总结和研究。通过两个学年的行动研究，期中和期末、各学年实验班进行过程性评价和定性分析，总结出研究经验，以论文的形式形成研究成果，并把优秀的教学案例向本校教师进行推广。
（六）研究方法
在研究中，坚持科学性、系统性的原则，循序渐进地进行研究，通过集中培训、观摩公开课以及物理备课组讨论和个人自学相结合的方式，致力于新课程改革下高中物理“力”学实验教学模式的改革。
1案例研究法
在乌海市第一中学高一两个平行班（330班、334班）实验教学的基础上，选取10个教学个案进行深入研究。通过对课题教学效果的反思及测试，对学科数据的分析，从中提炼出具有说服力的案例，以支撑课题研究的结论。
2文献调查法
借助学校订阅的教学报刊、杂志和各类教育网站搜集高中物理“力学”实验教学的策略和方法，去图书馆查找相关的文献资料，然后把资料分类整理，在相应的实验教学中加以应用和实践。
3比较研究法
在高中物理“力学”实验教学中，对同一个教学案例中的实验采用不用的实验系统进行实验教学，即用DIS实验进行教学和用传统实验进行教学，然后比较实验效果，并对实验过程进行系统的分析，通过问卷调查的方式反馈学生在实验过程中的情况，以得出在此实验中DIS实验的优势及弊端，传统实验的优势及弊端，最后将各自的优势加以整合，最终设计出一套较为适用的实验方案，在此方案中可能既有DIS实验，也穿插有传统的实验，目的就是为了通过研究，以达到实验教学的优化处理。
4行动研究法
本文在研究过程中，充分收集学校每位物理教师在教学过程中积累的经验，充分利用网络和数字化系统平台进行教学，加强自己与其他教师之间的合作与交流，在解决教学疑难问题的过程中多思考，多琢磨，以发现新的问题，最终将问题得以解决。在研究过程中，自己要多去制作教学课件，多写教学反思，多问问题，争取让自己的研究课题有价值，有助于高中物理“力学”的实验教学，能帮助高中学生既学到知识，又掌握了相应的实验技能，最终培养他们的科学探究能力和创造力。
5调查研究法
在上面几种主要方法的支撑下，还要辅以调查研究法，研究学生运用现代教育技术与实验仪器进行实验学习时，对其学习的影响，掌握第一手材料，为课题研究提供充足的事实依据。
二、 DIS实验与传统物理实验案例对比研究
（一） 研究方案设计
1研究目标
在乌海地区，高中物理实施DIS的实验教学刚刚开始，高中物理实验哪些适合DIS实验系统，并为高中学生所接受，哪些实验不适合DIS实验系统进行实验，还需要深入研究、探索和实践。
由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附件构成新型DIS实验系统，巧妙地做到了课程与信息技术的整合，具有强大的信息收集、处理能力，可以实时、高效处理各种数据，可以实现联网互通，具有便捷的交互功能。将传感器应用于高中物理实验是高中新课程改革的一大亮点，新课程改革因DIS的诞生而深入。DIS的出现使教学面临新的机遇和挑战。如何通过观念的转变，进一步研究教学过程中的各个环节，使DIS的实验教学更具针对性和实效性，逐步加强对学生科学方法的训练和科学精神的培养，提高学生的科学探究能力。这是作为一名一线教师不得不思考的问题。
2研究内容和研究对象
高中物理“力学”实验中，DIS实验与传统实验的对比研究。通过对比，找出高中物理“力学”实验教学中，哪些实验适合使用DIS，哪些实验适合用传统教学方式，哪些实验适合将DIS与传统实验相结合。并探索利用DIS实验改进实验的教学效果。
研究对象是乌海市第一中学高一334班（69人）和330班（68人），这两个班的学生入学时的成绩相当。
3研究步骤和研究方法
（1）研究步骤
① 确定所要实验内容（主要以高中物理新教材必修1和必修2中的实验为主）。
② 选择实验教学班乌海市第一中学334班和330班。
③ 用对比研究的方法，在一个班实施实施DIS实验，另一个班实施传统实验分别进行教学。通过课堂提问、课后作业、问卷调查等形式发现问题，反思实施DIS实验和传统实验各自的利弊。
④ 做好平时实验记录。利用各种研究方法、研究方式，让学生逐渐形成科学的思维习惯及能力，达到预期实验目标。
（2）研究方法
对比研究法、案例分析法、实践反思法等研究方法。
（二）加速度与力和质量的关系实验案例
1 DIS实验设计
【设计探究方案】
1. 猜想加速度a与力F、质量m之间存在怎样的关系？如何研究加速度、力、质量的关系？
2. 怎样用实验测定a、F、m这些物理量？
3. 怎样设计数据采集器的表格及相关的图像坐标？
【实验目的】
1. 研究小车在质量一定的条件下，加速度与作用力的关系。
2. 研究小车在作用力一定的条件下，加速度与质量的关系。
3. 练习使用DIS实验设备。
【实验器材】
位移传感器、数据采集器、计算机，带滑轮的轨道，小车，小桶，小车专用重片，天平，弹簧测力计等。

图2-1位移传感器 图2-2数据采集器

图2-3 实验装置图
1. 用DIS研究加速度与力的关系（质量m保持不变）
【具体实验过程】
① 用天平称装有位移传感器的小车的质量。
② 用弹簧测力计测出小桶加里面放置砝码的重力，并以此作为小车收到的拉力。
③ 在轨道安装滑轮的一端，安装位移传感器的接收器，并与数据采集器连接。将细绳连接小车，跨过滑轮系住2个钩码。
④ 开启电源（包括位移传感器发射器电源），运行DIS应用软件，点击“用DIS研究加速度与力的关系，加速度与质量的关系条目，释放小车测定加速度。
⑤ 保持小车质量不变，改变钩码数量重复实验。
⑥ 处理实验数据，归纳得出结论。
实验图像截图如下图所示：
图2-4 v-t图像
2.用DIS研究加速度与质量的关系（保持作用力F不变）
① 调节天平，测配重片的质量。
② 将位移传感器的接收器固定在轨道没有滑轮的一端，并连接到数据采集器，用细线连接小车，跨过滑轮系住三个钩码。释放小车，测定加速度。将加速度的平均值记录在表格中。
③ 保持钩码数量不变（以保证小车收到的作用力不变），改变小车的质量（增加配重片数量），重复实验。
④ 处理数据归纳得出结论。
2传统实验设计
【实验目的】
1.研究小车在质量一定的条件下，加速度与作用力的关系。
2.研究小车在作用力一定的条件下，加速度与质量的关系。
3.练习使用打点计时器。
【实验器材】
电火花打点计时器、纸带、小车、天平、带滑轮的木板、小桶、小车专用重片、弹簧测力计。
【实验过程】
1. 研究加速度与力的关系（保持小车质量不变）。
①调节天平，测小车的质量；用弹簧测力计测小桶加里面砝码的重力并以此作为小车的拉力。
②将木板放置在实验台上，调节木板，使小车放在木板上刚好处于静止状态。
③将小车末端与纸带相连，前端系细绳，绳子跨过定滑轮连接一个钩码；纸带穿过打点计时器。
④打开电源，释放小车，在小车带动下，打点计时器在纸带上留下一系列清晰的点。
⑤ 小桶中增加或换较大质量的砝码，再重复上述实验。
⑥ 利用纸带计算出相应的加速度，绘制a-F图像。
实验过程装置图如下：
图2-5 实验装置图
记录加速度与外力关系的实验数据，填入表格中。表格如下所示：
表2-1加速度与外力关系的实验数据表
研究加速度与外力的关系

m/g（砝码）
F/N
X/cm
a/m·s-2
1
14.10
1.38
14.82
0.64
17.40
2
24.10
2.36
20.60
1.05
24.80
3
34.10
3.34
30.20
1.44
35.94
根据上表中的数据，绘制a-F图像

图2-6 a-F图像
根据图像得出结论：在误差允许的范围内，当物体质量一定时，加速度与物体受到的外力成正比。
2. 研究加速度与质量的关系（保持小车所受作用力不变）
① 小桶中放置20g砝码，测量出第一次小车的质量为200.2g ,进行第一次实验，取下纸带。
② 安装新的纸带，并在小车中放入100g砝码，此时小车的总质量为300.2g ，进行第二次实验，取下纸带。
③ 安装新的纸带，并在小车中再放入100g砝码，此时小车的总质量为400.2g ，进行第二次实验，取下纸带。
④ 利用纸带，进行数据分析、研究。
记录加速度与质量关系的实验数据，填入表格中。表格如下所示
表2-2 加速度与质量关系的实验数据表
研究加速度与质量的关系

M/g（小车）
1/M
X/cm
a/m·s-2
1
200.20
5.00
20.60
1.05
24.80
2
300.20
3.33
17.46
0.71
20.30
3
400.20
2.50
15.80
0.55
17.98
根据上表中的数据，绘制a-1/m 图像。

图2-7 a-1/m 图像
【结论】根据图像可得，当小车受到的外力一定时，在误差允许的范围内，加速度与质量成反比。
（三）探究“最大摩擦力与滑动摩擦力的大小关系”实验案例
1 DIS实验设计
【实验目的】
比较最大静摩擦力与滑动摩擦力的大小。
【实验器材】
力传感器、数据采集器、计算机、木块、白纸、
【具体实验过程】
将木块置于白纸上，与力传感器相连。用力拉白纸，观察力的变化图线。当木块随白纸一起运动时，图线逐渐上升，表示木块与白纸间的静摩擦力逐渐增大；当木块不动，白纸运动时，木块与白纸间的摩擦力为滑动摩擦力，由图线可看到滑动摩擦力保持不变；在静摩擦力图线与滑动摩擦力图线衔接处，有一个最高点，此最高点即为最大静摩擦力。从图线中可以很明显地看出，最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。实验装置如下图所示：

图2-8 DIS实验过程图
2 传统实验设计
【实验器材】
弹簧测力计、砝码、白纸、木块
【具体实验过程】
将测力计与木块连接，在木块下方放一条白纸，用向左的力拉纸，观察弹簧测力计的示数变化。当木块随纸一起运动时，弹簧测力计的示数逐渐增加，此示数表示木块与白纸间的静摩擦力；当木块不动，白纸运动时，木块与白纸间的摩擦力为滑动摩擦力；当木块与白纸处于将要动却未动时，木块与白纸间的摩擦力为最大静摩擦力，并且发现从此位置稍微拉动白纸，弹簧测力计的示数会突然略微减小，然后便保持不动。实验装置如下图所示：

图2-9 传统实验过程图
【结论】最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。
（四）实验案例对比研究
1加速度与力和质量的关系实验案例对比研究
本实验在研究过程中设计了两种不同的实验方案，即DIS实验方案和传统实验设计方案，并且在教学中将这两种不同的实验方案分别应用到了两个高一年级教学班中（乌海一中330班、334班）。在330班的“加速度与力和质量的关系”实验教学中，使用DIS实验方案；在334班的“加速度与力和质量的关系”实验教学中，使用传统实验教学方案。
在教学中，DIS实验与传统实验相比，具有很多的优点：
（1）现象明显，实验结论易得出
在此实验中，加速度与质量、加速度与力的关系最终是要通过a-1/m图线和a-F图线来得出的，DIS实验得出a-1/m图线和a-F图线的速度快，不用学生通过计算来完成，准确率很高。
（2）精度高，易操作
数字化、信息化技术给物理量的测量带来了革命性的变化，不但简单方便，而且由于减少了主观判断引起的误差，所以测量精度高、误差小。
（3）数据处理快
DIS实验系统的数据处理是由计算机完成的，大量的实验数据可以在瞬间处理完毕，可以让学生从大量的数据处理中解脱出来。
（4）效率高
在此实验的教学中，DIS实验用时20分钟，便完成了全部实验过程；利用传统实验，一节课（40分钟）基本完成实验，课容量很大，学生的绝大部分时间都在读数据，记录数据。DIS实验的效率高这是显而易见的。
正因为DIS实验具有以上种种优点，因此在教学中对学生的合作学习的能力就提出了较高的要求，有效的培养学生自主合作的能力就显得尤为重要了。
DIS实验与传统实验相比，在某些方面也具有弊端：
由于DIS实验的数据处理及其作图全部由计算机来完成，虽然简易、快捷，但是却不能训练同学们处理纸带数据的能力，数学运算能力，作图能力。而这些能力恰恰是学生必须要具备的能力，在期中、期末考试，在两年后的高考中，都要考察学生这些能力。由于两个班采用了不同的实验设计方法，330班的学生利用较短的时间就掌握了“加速度与作用力成正比，与质量成反比”的关系，也了解了数字化、信息化技术给物理实验带来的革命性变化。但是，他们在处理纸带的数据、利用描点法作图等方面比334班的学生要有所欠缺。而334班学生又没有体验到DIS实验给物理实验带来的快捷、方便。如何来弥补学生们的这些不足呢？最终决定两个教学班各拿出一节课，在330班演示传统实验，让学生分析纸带，计算加速度，并作图；在334班演示DIS实验。
2“最大摩擦力与滑动摩擦力的大小关系”实验案例对比研究
由于此实验案例简单，不存在读取数据计算的问题，只需要学生观察实验现象，得出结论即可。DIS实验连接过程比较复杂，但实验现象非常明显，从图线中直接便能看出静摩擦力随拉力增大而增大，最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，并且能让学生直观的看到f-t图线做出的过程，最后将图线保留下来，便于学生日后进行学习和研究。相比之下，传统实验设计方案就显现出很多的不足，由于用弹簧测力计看摩擦力的大小变化，学生们如若稍不注意，就会错过最大静摩擦力略大于滑动摩擦力这一现象出现的瞬间，并且这种现象不能保留，不便于研究。因此，这种设计方案要想让绝大部分学生看到现象并得出结论，就需要教师不断的重复实验，这给教学带来了很大的麻烦。
因此，“最大摩擦力与滑动摩擦力的大小关系”实验适合使用DIS实验。
三 对高中物理“力学”中DIS实验和传统实验的整体思考
（一）高中物理“力学”中DIS实验与传统实验的对比
从形象的层面上讲，DIS实验在学生的脑海中形成了直观、深刻的印象，将人类思维空间的抽象信号比较准确地展现在电脑屏幕上，例如：利用运动传感器研究小车在人的拉动下作变速直线运动，从电脑显示器上可以直接看到小车的瞬时速率随时间的变化情况，形象直观。但是，由于学习者本身的差异性，并不是每个学习者对DIS实验的适应程度都相同。由于DIS实验涉及到综合性、技术性的知识较多，如非电学量的转换、信号的放大、信号的采集、模拟信号与数字信号之间的转换、软件的编制等，许多内容学生都比较生疏，容易分散学生的注意力。再者，数字化实验自动化程度较高，易使学生忽视实验的物理意义，而单纯的关注采集、处理实验数据，整个实验成了数字“游戏”。
在培养学生各方面能力上，DIS实验与传统实验有明显的差异：DIS实验侧重于培养学生的实验探究能力，而传统实验侧重于培养细致、认真、耐心的观察习惯；传统实验重视培养学生正确的选择仪器和使用仪器的能力，而DIS实验在这方面则相对欠缺，因为在DIS实验中，基本的仪器就是某些固定的传感器、数据采集器和计算机；DIS实验有利于学生掌握利用现代化信息技术，可以帮助学生提高学习兴趣，拓展学生的知识层面，而传统实验比较重视学生技能的训练，如用秒表反复测量单摆的周期，可以使学生在实验过程中掌握秒表的使用方法；在数据处理过程中，DIS实验有助于学生的数学图形分析能力、对复杂物理问题的分析判断能力的培养，传统实验可以充分培养学生的计算能力、作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力；在高中物理“力学”的实验中，很多DIS实验都可以由学生自行设计、选材、完成，从而达到培养学生的自主探究能力、研究能力和创新能力的目的，而传统实验的设计要求具有很大的局限性,限制了学生探究和钻研的深度和广度。综上所述，DIS实验和传统实验在高中物理“力学”教学中只有取长补短，才会达到更好的实验教学效果，才会达到新教材中培养学生实验探究能力的教学目标。
（二） 新课程改革下“力学”实验教学对教师的能力要求
新教材中，高中物理“力学”中的很多实验都可以用DIS来完成，但为了达到教学效果的最优化、为了培养学生的探究能力、实验设计能力、数据处理等多方面能力的教学目标，很多实验单方面用DIS来完成是不行的，需要DIS实验与传统实验的有机整合。这样，对教师的能力就提出了较高的要求。
首先，教师要有自我学习能力，要将“数字化信息系统”即DIS这套实验装备熟练掌握。DIS实验设备综合了现代的电子、计算机、程序开发等一系列前沿尖端技术，想要熟练应用这套设备，就需要教师不断地学习和进取、不断地钻研新的科学知识。
其次，教师要改变自己的观念，排除畏惧心理，要敢于迎难而上，主动地对DIS实验系统进行了解和学习，就像学习电脑技术一样，只要多使用，多钻研，虚心向其他有经验的教师请教，最终一定会达到：能使用、能操作、能创新的地步。同时还要对学生进行必要的课前技术培训，教给他们DIS的简单操作原理，强化和提升他们的DIS实验技能。只有这样，才可能达到最终的教学目的。
再者，课前要做好充分的准备。实验准备用DIS完成，还是设计成传统实验，还是两者结合使用，提前都要想好设计好。并且，设计实验要有创新，能吸引学生的注意力，能让他们也参与到实验过程中。当然，提前做好充分的准备，也能让实验课顺利、快捷的完成，以达到最终的教学目的，培养学生的实验探究能力。
（三）要科学、有效地利用DIS实验
DIS虽然在现阶段高中物理“力学”实验教学中得到了广泛的应用，但也不能不加分析地到处使用，在高中物理“力学”中使用DIS实验要注意以下几点：
1 不能所有“力学”实验都用DIS来完成
在教学实践中，学生是主体，教师是主导。如果不考虑学生能否接受，全部“力学”实验都使用DIS来设计，就会出现有些DIS实验学生接受不了，也不符合高中学生的认知特点，教师就成为DIS实验的“讲解员”，学生就盲目成为DIS实验的“听客”。例如：研究“平抛运动竖直方向和水平方向的运动情况”实验，利用传统的实验设计方案（平台上放置一个斜槽，斜槽末端必须水平，末端带有一个支柱，支柱和斜槽末端中间有一个小空隙，恰好能让小球落下。支柱上放置一个小球，让一个与其等大的小球从斜槽的某一位置自由滚下，与另一个小球发生碰撞，让学生观察实验现象），学生通过仔细观察，很容易能够得到实验结论：做平抛运动的物体，竖直方向做自由落体运动，水平方向做运算直线运动。实验装置图如下：

图3-1 研究平抛运动竖直方向的运动

图 图3-2 研究平抛运动水平方向的运动
若此实验采用DIS来设计，最后通过位移时间图像来得出结论。相比之下，在这个实验的过程中，传统实验便显示出了明显的优势：既便于通过观察得出实验结论，又能调动学生的学习兴趣，还能激发他们去设计一些其它的简单实验来得出同样的结论，可以培养他们的实验探究能力。而DIS实验最终又回到了枯燥的图像研究中，使教学起不到应有的作用，必然会导致学生听不懂、厌学、成绩不好等事情的出现。
2要合理把握DIS实验的使用度
人的认知是有规律的，记忆的基础是反复，记忆的工具是理解。DIS实验只不过是学生认知道路上的一个“助跑器”，而不是学生达到认知目标的特效工具。高中物理“力学”实验教学效果的提高还需要教师刻苦地钻研教材，认真并且具有创新地设计实验，将DIS实验与传统实验有效结合，这样一点一滴的不断积累，不断实践，最后以达到从量变到质变的效果。不能盲目地认为几个DIS实验就可以直接使学生的学习能力达到质的提升。
在DIS实验与传统实验结合使用的过程中，不难发现课堂教学中出现了因技术崇拜而忽视教育规律的形式主义。有的教师片面追求效果的最优化，不分课型、内容，不顾实际教学需要，盲目使用各种媒体，热衷于在计算机上模拟操作而忽视学生的实际操作，结果弄巧成拙，使课堂中的信息过多过剩，造成无效信息的泛滥，分散了学生的注意力，不仅不能提高教学效率，反倒影响了教学目标的落实。此外，教学过程是动态的、发展的过程，时常会出现不可预见的情况。教学中过分依赖传感器技术，全部教学环节由技术手段再现，用电子数据代替教师丰富的情感交流语言，用荧屏画面代替教师形体交流语言，使得传统教学方式下师生情感交流的优势荡然无存，反而使师