基于傳感技術的科學實驗設計

　　新一輪的課程改革背景下，實驗作為科學教育中一種獨特的教學形式，更加強調學生“做科學”，強調“活動探究”?；趥鞲屑夹g的科學實驗，是以傳感器為核心工具，與信息技術相整合，實現了科學實驗過程中數據自動采集、直觀顯示以及實驗數據的圖形化。正是由于傳感器可以檢測多種物理參數并轉化為數字信號，并且具備功能多樣、體積小、操作簡單等特點，將先進的傳感技術引進科學實驗極大地拓展了實驗內容，大大降低實驗難度，使傳統定性、半定量的實驗定量化，更注重實驗證據的獲取，實驗的探究性得以加強，更有利于培養學生的數據分析能力和科學素養。
　　
　　基于傳感技術的科學實驗的設計思路
　　
　　科學教育領域的傳感技術系統由傳感器、數據采集器、計算機及工具軟件構成。其中傳感器是該系統的核心，計算機及工具軟件為輔助設備。若將該系統比做人體，那么傳感器就是人體的五官，其功能的多樣性直接決定了傳感技術在科學實驗系統的應用范圍。同樣，實驗中能否引入傳感技術，關鍵在于傳感器能否直接或間接測定待測量，即儀器的支持作用是該類實驗開發首先考慮的因素。
　　
　　1.確定實驗選題
　　根據教材、課程標準、學生的知識背景、傳感技術的功能等選擇合適的學習內容，確定實驗主題。
　　
　　2.選定實驗觀測量
　　(1)直接測定。根據實驗的研究對象和特點，選擇合適的實驗觀測量，依據對傳感器功能的認識，初步尋找合適的傳感器，進行直接測定。例如利用溶解氧傳感器可以直接測定水體中溶解氧氣的濃度，用壓強傳感器監測一天內大氣壓的變化，用溫度傳感器研究化學變化中的溫度變化等。
　　(2)“轉化”后再檢測。若無法找到直接支持的傳感器，則必須將待觀察量轉化為可直接檢測的物理量進行實驗，我們把這一環節稱作“轉化”。轉化是科學實驗中的重要思想，自然科學的研究正是將內隱的、微觀的和具體的變化外顯化、宏觀化和抽象化的轉化過程，基于傳感技術的實驗活動更能揭示科學活動這一轉化的本質。
　　針對轉化本身，不同的實驗對象存在不同的轉化模式。我們可以通過分析實驗對象本體的性質和特點，列舉其中變化的物理量，然后選擇變化明顯、測量簡便的物理量為實驗觀測量，再選用合適的傳感器進行實驗。比如植物的呼吸作用，在這個過程中，伴隨著熱量的釋放、二氧化碳濃度的升高、氧氣濃度的下降等等物理量的變化，我們便可以借助這些變化量來監控植物的呼吸作用。再如，鹽度是土壤質量的一個重要指標，由于鹽可溶于水，發生電離，鹽度不同，那么土壤溶液中的離子濃度不同，電導率不同，因此，可利用電導率傳感器進行測定。
　　
　　3.設計實驗方案
　　根據已確定的觀測量，考慮相關影響因素，形成實驗方案，并預設實驗條件和儀器參數（主要指傳感器和數據采集器）。
　　
　　4.實施實驗
　　實施實驗方案，根據實驗實施過程中遇到的問題，對實驗用品的種類、用量及測定時間等進行調整，以得出較理想的符合科學性的實驗數據，并對數據處理方法進行優選。
　　科學實驗同時具有“可預見性”和“不可預見性”的特點。可預見性是指科學、合理的實驗設想是實驗成功的基本保證，可以使實驗研究過程順暢、有條理。而有時實驗原理盡管看似完美，但在實施過程中可能會遇到各種各樣的問題，這就是科學實驗的不可預見性，科學實驗的不可預見性有來自實驗儀器的問題，也有來自實驗設計的問題。
　　例如，初中化學實驗向燒杯中傾倒二氧化碳氣體，階梯形燭臺上的蠟燭從下向上熄滅，以說明二氧化碳比空氣重且不支持燃燒，也許我們很容易想到用二氧化碳傳感器來監控這一過程，但如果實際實施實驗就會發現，傾倒的二氧化碳會超過二氧化碳傳感器的量程，實驗失敗。由此必須將觀測量進一步“轉化”，轉化為其他可檢測的物理量?？紤]到二氧化碳的增加會引起氧氣濃度的減小，用氧氣傳感器代替二氧化碳傳感器進行實驗，可取得成功。如裝置圖1所示，用氧氣傳感器監測氧氣濃度的變化，用光強傳感器監測光強度的變化，會發現在傾倒二氧化碳的過程中，氧氣濃度逐漸減小，光強度減小（蠟燭變暗），這樣有力地說明了二氧化碳密度比氧氣大且不支持燃燒這一性質。
　　再如，植物呼吸的實驗研究，如前文所述，可以根據這一過程中熱量的釋放、二氧化碳濃度升高、氧氣濃度下降等物理量的變化進行監控，但在具體的實驗過程中，還要考慮熱效應是否明顯容易測量、熱效應是否受環境溫度變化的影響、二氧化碳和氧氣濃度是否受光合作用的影響等等影響因素，考慮到這些因素，我們便會采取保溫避光的實驗條件。
　　科學實驗這些“不可預見性”的特點可能導致實驗的失敗，但也會讓我們發現許多值得研究的問題，這也正是科學探究的樂趣和魅力所在，那種用“思維實驗”、“黑板實驗”替代探究實驗的做法很難增進學生對于科學的理解。
　　
　　5.反思總結
　　反思實驗過程的關鍵或異常環節，進行實驗再設計和拓展性研究?？偨Y實驗的注意事項，提出供學生交流討論的問題。
　　
　　由上述討論可見，從實驗手段上講，基于傳感技術的實驗可以分為直接測定和間接測定（轉化后測定）兩大類；從實驗過程來講，預見性強的實驗相對簡單，預見性弱的實驗則有更多的影響因素需要考慮，往往需要重復設計?；趥鞲屑夹g的科學實驗研發的思路可以用圖2表示。
　　基于傳感技術的科學實驗示例
　　
　　1.污水排放對水體中溶解氧濃度的影響——直接測定法
　　水體污染和水體質量是初中科學課程標準和科學教材中的重要課題，而水質標準有多項內容，溶解氧濃度是其中之一，且學生對水體中溶解的氧氣的作用已有了解，因此可以選取氧氣濃度作為實驗觀測量，使用溶解氧傳感器直接測得。
　　根據不同的教學要求，本實驗活動可以有不同的設計。如果作為真實情景的綜合實踐活動，可由學生攜帶溶解氧傳感器親自到河流或湖泊進行檢測；但并非所有的學校都具備靠近水體的條件，有時也沒有充裕的課時支持。在這樣的條件下，可以通過實驗室模擬進行。例如有機污染物等還原性物質，會消耗水體中的氧氣；含氮磷的物質，引起水體富營養化，經過一系列變化，導致水體溶解氧濃度降低。由于上述生化過程所需時間較長，我們可以借助還原劑Na2SO3代替污染物消耗氧氣模擬上述過程。
　　如圖3所示組裝實驗裝置，向燒杯中加入一定量的水樣，將溶解氧傳感器浸沒于水中，啟動磁力攪拌器，攪拌。加入2M的Na2SO3溶液，每次加入5滴，充分攪拌并測定溶解氧的濃度，分析溶解氧濃度隨Na2SO3溶液加入量的變化。
　　在未加入Na2SO3之前，隨著攪拌的進行，水樣中溶解氧濃度不斷增加，直至達到飽和；加入Na2SO3后，水體中溶解氧濃度急劇下降，達到一定數值后趨于穩定。
　　傳統的溶解氧滴定測定，只能測定某種狀態下的溶解氧濃度，且操作比較繁瑣。引入傳感技術的實驗，不僅實現了水體中溶解氧濃度的實時監測，將變化的過程記錄了下來，且操作簡單，更有利于低年級學生進行探究活動。
　　
　　2.植物蒸騰作用的測定——間接測定法
　　植物的蒸騰作用是中小學科學課程中的一個核心概念，關于蒸騰作用的下級內容有很多，我們選取測定蒸騰作用的速率為實驗主題。目前為止，沒有開發出能夠直接測定蒸騰作用的傳感器，因此需要進行轉化。
　　
　　蒸騰作用具有過程屬性，在此過程中，植物體內不斷有水分通過氣孔散失到空氣中，根或莖部不斷從周圍的生存環境中吸收水分，以達到植物體內水分的相對平衡。因此，蒸騰作用的特性是失水和吸水，倘若將植物根或莖浸入一個盛水的密閉容器中，由于植物吸水，導致水量減少，液面上方空間變大，一定質量的空氣體積變大，壓強變小。可通過壓強傳感器進行測定（如裝置圖4），從而實現蒸騰作用測定的轉化。實驗觀測量由蒸騰作用的速率轉化為密閉體系中的壓強。
　　在實驗實施過程中發現，用傳統的玻璃儀器如密閉的錐形瓶，由于其體積大，因蒸騰作用而減少的水的體積相對于容器的體積太小，導致壓強變化不明顯。筆者通過改進實驗裝置，用裝滿自來水的乳膠管代替錐形瓶，實現壓強變化的放大化；數據采集器的設置中，由于蒸騰作用中水的減少是一個漸變過程，需要一段時間的積累才能完成，因此采樣時間要長；另外，植物的選取，考慮到價格以及蒸騰作用強度的問題，選用花店出售的旺盛的花枝，如菊花（約1元/朵），降低了實驗成本，從而完成實驗本體的開發。
　　反思實驗過程，發現乳膠管和植物莖干、乳膠管和壓強傳感器探頭連接的密閉性是實驗成敗的關鍵，因此，在實驗過程中，必須保證連接端口的緊密性。在實驗條件允許的情況下，教師還可以做風速、氣溫、不同種類植物等不同條件下的蒸騰作用比較實驗。
　　由以上討論我們可以看出，基于傳感技術的科學實驗有力體現了科學技術對于科學研究的強大支持作用，展示了科學活動的時代性特色，充分體現了現代科學研究中“轉化”的重要思想和科學探究的方法，為我們的科學教育增添了新的活力。本文提出的基于傳感技術的科學實驗設計思路，是我們在長期實驗研發中的經驗總結，揭示了“轉化”、“變量控制”、“因素分析”、科學實驗的“不可預見性”等科學過程的基本特點，希望對今后的實驗研究具有借鑒意義。