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一、 本课题研究背景、目的和意义
1、学生可持续发展的要求
在新世纪刚刚过去的十年里，科学技术和世界经济飞速发展，国际竞争日趋激烈，而竞争的核心是人才的比拼，所以提高全民素质显得越发重要。在知识经济时代，“文盲”不再是指没有知识的人，而是指不能继续学习，不能更新自己的知识、技能的人。在知识爆炸的今天，掌握知识的多少己经不再重要，重要的是了解如何去汲取和领悟新的知识，形成新的能力，这就需要我们不断学习，在全球范围内，终身学习的观念正成为社会及个人可持续发展的驱动力，学习正成为每个人日常生活中的重要组成部分。为了生存与发展的需要，我们必须具有自主学习能力，这个道理已经被越来越多的人所接受。所以在新世纪基础教育的任务不仅仅是传授知识，更重要的是让学生形成自主学习的能力，能够满足可持续发展的要求。
在我们的身边，各种类型的传感器比比皆是，无论是工业生产还是日常生活，自动化的程度都在不断提升，各种数字化的仪器逐渐取代了传统的仪器，教育领域也不例外，譬如现在实验室中的秒表多改成了数字式的，装有光电门传感器的气垫导轨也不是什么稀罕物了，更加先进的数字化实验室（DISLab）也逐渐被引入，对此我们应本着开放的心态，这些都只是工具，关键看你怎么去使用。有些老教师对这个新生事物存有排斥情绪，以影响学生思维能力培养拒而不用，我觉得大可不必，我们总不能说用计算器影响思维发展而让学生们用算盘处理实验数据吧？其实恰恰相反，像传感器这类先进器材以及通用实验软件的引入，大大拓展了我们实验的空间，提高了实验的精度，使学生的一些奇思妙想得以实现，对于学生的学习兴趣的激发，实验技能的提升都大有裨益，对进入高校后的发展也是很有利的，这也算是一种可持续发展。
2、新课程改革的要求
实验作为构建知识基础的重要手段，是中学物理教学的重要组成部分。但在传统的物理实验教学中，实验教学设备陈旧落后，教学模式一成不变，实验室管理封闭保守，还有与前沿科学的新理论、新技术严重脱节的实验内容严重阻碍了学生实验的积极性、主动性和创造性，影响了学生现代科学思维能力的形成和科学的个性品质的发展。在教学中甚至还出现了与实验教学目标严重背离的“四化”现象，1.黑板化实验：教师在黑板上讲解实验原理、实验过程、实验现象，变做实验为“听”实验；2.媒体化实验：学生通过电脑、录像、投影等媒体“看实验”；3.程序化实验：学生根据课本上的实验目的、器材、步骤，机械的按照规定的程式进行操作，单纯地去验证课本所要求的实验数据或实验结论，而不会考虑实验为什么要这样做，怎样做更好，也不会注意实验中出现的新现象、新问题，更不会去主动想办法解决；4.试题化实验：学生用笔“做实验”，使实验教学在题海中越陷越深，极大地挫伤了学生动手实践的热情和兴趣。导致传统的实验教学普遍存在着“重应试，轻素质；重知识、轻方法；重讲授、轻活动；重结论、轻过程；重机械训练、轻实际体验”的弊病。
鉴于以上原因，从上世纪九十年代开始，中学物理教学大纲开始要求加强演示实验和学生分组实验， 2000 年发表的《全日制普通中学物理教学大纲（试验修订版）》强调学校要开展对学生进行实验课题的研究，这一变化反映了人们逐渐认识到实验教学在物理教育中的重要基础地位，开始重视物理实验教学，2003年出台的《普通高中物理课程标准（实验稿）》则将课程教学和实验探究完全结合在了一起。
当下，现代信息技术的快速发展和网络技术的广泛应用给物理实验教学带来了深刻的变革，现代信息技术具有信息量大、智能化、网络化等特点，为物理实验教学提供了更快捷和更丰富的信息来源，成为物理实验教学的新资源。以计算机和网络为代表的现代信息技术，已作为教育的工具进入课堂，成为教学的有机组成部分。
在突出素质教育、呼唤加强创新拔尖人才培养的今天，仅仅依靠传统的物理实验教学手段和方式，是难以培养适应时代发展的高素质人才的，也不利于充分挖掘学生学习的积极性、主动性和创造性。因此，在教学实践中我们教育工作者必要不断地对物理实验体系进行充实和完善。在国家教育部颁发的《课程标准》中就明确提出：“信息技术要进入物理实验室”，“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”。走在课改前沿的上海则在二期课改方案中提到信息技术应“作为认知工具”，运用DISLab（数字化系统实验室）改进实验教学。江苏自2005年实施新课程后，多数四星级高中都已配备DISLab，我校也于2009年暑期建立了专供物理实验教学使用的数字化实验室。
二、 文献综述
2001年，教育部在其印发的《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确提出：“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”。2003年，为配合此轮课程改革，教育部推出了《普通高中·物理课程标准》，里面提到：“重视将信息技术应用到物理实验室……诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等”。2005年，江苏省正式加入此轮新课程改革。在这样的大背景下，我校作为江苏省重点高中，亦迅速建立了三个配套的理科DIS实验室。
DIS是英文Digital Information System的简写，中文名称是“数字化信息系统”，装备有该系统的实验室通常称为DISLab。DIS由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用软件）+计算机”构成，形成了完善的数字化物理实验体系，可在真实实验的基础上实现信息技术与物理学科教学的全面整合。
1.国内外研究的历史与现状。
在国外，DIS的研究较早，如美国的PASCO的数字化实验系统，始于1964年，已有40多年的历史，在美国乃至全球教育界享有盛誉。起先DIS主要应用高校的研究和教学，到了上世纪七十年代，逐渐向中学教学渗透，1978年，美国就开始把传感器技术应用于中学教学。把温度传感器和计算机连接起来演示温度曲线，通过计算机直接描绘的温度曲线，而且可以实时观察到伴随温度的下降，在液体固化过程中出现的由固化潜热产生的恒温平台。实验的实时性、准确性、可视性和方便性极大地激发了学生探究的兴趣。
除了美国PASCO公司外，国外知名的DISLab研发企业还有美国 Fouriersystem公司、英国 Pico Technology公司、澳大利亚Dava Harvest公司生产的数据采集系统等。
在国内，DISLab的研究起步较晚，2002年上海市中小学数字化实验系统研发中心正式成立，投入该项目的研究，注册商标为朗威R数字化信息系统实验室（DISLab）。该中心是由上海市教委组建的一个国内首创的，研发、学习、生产、教学一体化的机构，由著名的实验教学专家、特级教师、特级校长冯容士先生担任中心主任。2003年，根据试点学校的试用经验把升级的朗威RDlsLab数据采集器正式推出。到2005年夏，研发中心不仅打破了多项国外技术垄断，而且DISLab系统初具规模，能够完成力学、运动学、电磁学、光学、热学和原子物理的数百个实验。朗威RDISLab包含物理、化学、生物学科的三十多类传感器，同时有系列的配套实验器材，结合数据采集器和计算机可以完成小学、初中科学实验以及高中阶段的理科数字化实验。
从2002年开始，上海19个区县的一百多所学校己经累计装备了1300多套DIS产品。其中浦东新区分两年为全区40所高中全部配备了DIS实验室。闸北、虹口、徐汇等区的装备也形成了规模。北京四中、十一学校、首师大附中、北大附中等京城名校的数字信息化实验室建设与上海学校相比毫不逊色。南京师大附中、无锡一中、扬州中学、福州三中、天津市南开中学、天津一中等全国各地的省级重点高中也都相继建立了数字信息化实验室。
2.对已掌握文献的综述与分析
登陆 CNKI 中国期刊全文数据库， CNKI 中国优秀博硕士学位论文全文数据，到 2012年 10月，发现：
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期刊文章 |
硕士学位论文 |
博士学位论文 |
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35 |
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上述文献研究的方面主要有：
（1）对传统实验的改良，也就是以数字化信息系统来代替传统的弹簧秤、电流表、电压表，提高了实验的精度。譬如由南师大物科院王劲存、仲扣庄两位老师发表在2011年5月《物理实验》上的“用DIS探究影响滑动摩擦力的因素”一文。
（2）利用数字化信息系统完成传统仪器不能完成或实验现象不好的实验，增强实验的可视化效果。譬如由唐山师范学院物理系张彬老师发表在2006年12月《物理教师》上的“数字化实验系统在实验教学应用中的探讨”一文，介绍了如何通过DIS验证变力的动量定理，让人耳目一新，传统的实验手段是很难去验证这个内容的。
（3）利用数字化信息系统进行研究性学习，完成一些探究性实验，出现了一些原来没有的新的探究实验。譬如由华东师范大学附属东昌中学的蔡钢老师在2007年1月的《物理教师》上发表的“运用DIS设计和测量不规则小固体的体积”一文，文章从验证玻意耳定律的实验出发，衍生出了一种测定不规则小固体的实验方法。
（4）对数字化信息系统用于教学的优劣进行了讨论。譬如由山东省邹平县第一中学李进老师撰写的“取其精华、有效整合——DISLab与中学物理教学整合初探（二）”一文对DISLab在使用中的一些弊端进行了讨论。
三、 论文要解决的问题和拟采用的研究方法
拟解决的问题
本课题计划在在高中物理 DIS 实验学生实验能进行哪些拓展这一问题的带领下，重点研究以下三个方面的问题：一是对高中老师和学生做关于 DIS 实验的调查问卷，研究学校 DIS 实验仪器配备、开设的具体情况；二是研究基础型学生实验所涉及知识点、在课本中的具体位置、实验目的、原理、器材、步骤、数据采集、实验规律总结、实验过程中应注意的事项，实验误差分析等；三是研究基础性学生实验在常规进行的基础之上是否可以进行一些拓展，可以进行哪些拓展等问题。
本课题期望达到的目标是：编写高中物理 DIS 学生实验的实验报告样本供教师和学生参考；总结基于基础性学生实验所能进行拓展的实验方案及其报告。最后，希望通过本研究以期为研究者将来的教学和实践在一线的高中物理教师提供一些教学参考。
拟采用的研究方法
本研究计划在前人类似课题研究的基础上采用多种研究方法开展，主要想采用：文献分析法、实验法、调查法（包括访谈法和问卷调查法）、观察法。
1．文献分析法：通过图书馆和网络等渠道查阅有关高中物理 DIS 实验的各类资料，对其进行仔细阅读，借鉴其中的精华部分。
2．实验法:将所有高中物理 DIS 实验按学生实验、演示实验、探究实验进行分类，并且对每一个实验进行研究，写出实验研究报告。着重对《课程标准》所要求的基础性学生实验进行研究，研究它们能否在进行额外的拓展，并进行实验，总结出拓展方案或是研究报告。
3．问卷调查法：研究者自编关于物理 DIS 实验开放情况的调查问卷，问卷包括教师问卷、学生问卷。主要调查学校 DIS 实验设备的配置、《课程标准》所要求的六个 DIS 学生实验的开展情况、是否有基于这六个学生实验进行拓展研究以及拓展研究的具体的情况。
4．访谈法：访谈是研究中资料收集的手段之一。访谈对象为中学一线教师若干人。访谈的内容涉及当前高中物理 DIS 实验学生实验、演示实验以及拓展实验的设计、开放等情况等。
5．观察法：为参与性观察。为更好地了解部分 DIS 实验的具体设计、实验过程等情况，到多所学校听讲部分老师的 DIS 实验课，收集各种案例、听课小结，分析 DIS 物理学生实验学生在操作和教师在使用过程中所存在的问题、疑问，并通过与一线教师的探讨给出一些相应的对策。
四、 论文完成计划
2013.1至2013.4 理论学习、文献查阅
2013.5至2013.7 完成应用部分的实验
2013.7至2013.10 完成开发部分的实验
2013.7至2013.12 撰写论文初稿、修订、定稿。
查看文献资料清单
1. 各种期刊文章
[1]姚维贵.《气体压强与体积的关系》DIS实验研究[J].物理教学探讨，2005,23（12）：50-51.
[2]景培书，舒信隆.进一步认识并挖掘DIS的物理教学功能[J].物理教学探讨，2006,24（8）:53-55.
[3]郭晓萍，彭实.数字化教学实验系统在探究活动中的应用实例[J].教学仪器与实验，2006,22（5）：6-7.
[4]张彬.数字化实验系统在实验教学应用中的探讨[J].物理教师，2006,27（12）：27-29.
[5]田国生.运用数字化实验教学推动新课程改革[J].中国现代教育装备，2006,（4）：71-73.
[6]盛海平.运用数字化实验系统突破“动量定理”教学难点[J].物理教学探讨，2006,24（9）：53-55.
[7]蔡钢.运用DIS设计和测量不规则小固体的体积[J].物理教师，2007,28（1）：35-37.
[8]邓华，仲扣庄.用DIS探究瞬时速度和平均速度的关系[J].物理教师，2007,28（5）：37-38.
[9]吴志山，张季峰.“探究功与物体速度变化的关系”实验的DIS补充[J].中小学实验与装备2007,17（5）：40.
[10]徐锐.DIS数字实验系统在物理教学中的作用[J].现代教育技术2008,18（6）：46-49.
[11]张彬.DIS在实验教学中的应用[J].唐山师范学院学报，2008,30（5）：133-134.
[12]易勇，李汀萍.数字信息化系统实验（DIS）的量化规程[J].萍乡高等专科学校学报，2008,25（3）：34-38.
[13]朱梁权.利用DIS传感器研究通断电自感现象[J].物理实验，2009,29（1）：27-29.
[14]马如宇，卓敏.DIS数字化信息系统在中学物理实验教学中的应用研究[J].中国现代教育装备，2012，（8）：36-38.
[15]张步元.用光电门测自由落体加速度实验的改进[J].物理实验，2010,30（12）：14-17.
[16]刘杨，刘莹，陈蕾，丁益民.用DIS研究弹簧振子系统中的机械能守恒[J].大学物理实验，2011,24（6）：76-78.
[17]钟莉，丁益民，黄娇，金驰名.用DIS位移传感器研究气垫导轨上的阻尼振动[J].物理实验，2011,31（10）：26-32.
[18]赵梦然，朱孟正.数字化实验系统DISLab与传统演示实验对比研究[J].高师理科学刊，2011,31（1）：94-96.
[19]黄军利.高中物理DIS实验与传统实验的优化整合[J].现代阅读，2011，（7）：179.
2.学位论文
[20]张文理.基于数字化信息实验系统的计算机辅助实验的设计和探索[D].南京：南京师范大学，2004.
[21]刘云览.DIS实验技术在物理教学中的实践研究[D].上海:华东师范大学，2006.
[22]魏慧军.基于DIS的上海二期课改高中物理实验教学现状调查及分析[D].上海:上海师范大学，2006.
[23]王维国.基于数字实验平台的物理探究性校本课程的开发与研究[D].苏州:苏州大学，2007.
[24]田健.数字化实验技术在中学物理教学与实验中的功能研究[D].北京:首都师范大学，2007.
[25]潘洪涛.数字化信息系统实验室（DISLab）的应用研究[D].上海:上海师范大学，2007.
[26]赵俊丽.运用数字信息化实验系统培养学生探究能力的教学案例研究[D].上海:华东师范大学，2007.
[27]丁玲.高中物理教学中的传统实验和数字化实验优化整合的实践研究[D].上海:上海师范大学，2008.
[28]李铁.数字化信息系统在高中物理实验设计中的应用研究[D].苏州:苏州大学，2008.
[29]许红.数字信息化实验系统在高中物理实验中的探究性应用[D].武汉:华中师范大学，2008.
[30]苏建东.充分发挥DIS实验在高中物理教学中优势的研究[D].上海:上海师范大学，2009.
[31]孙素娟.高中物理传统实验教学方法的改进[D].上海:上海师范大学，2009.
[32]惠润.利用DISLab完善高中电磁学实验体系的应用研究[D].苏州:苏州大学，2009.
[33]郑喆.利用DISLab完善高中力学实验体系的应用研究[D].苏州:苏州大学，2009.
[34]周勇.数字化信息系统在创新性物理实验中的应用[D].武汉:华中师范大学，2009.
[34]曹会.高中物理电学实验资源开发与能力培养的初步研究[D].苏州:苏州大学，2010.
[34]徐蓓蓓.物理DIS实验与探究式教学的整合和案例研究[D].上海:华东师范大学，2010.
四、开题论证意见 | 
