傳感器與中學物理實驗整合的策略研究*

劉茂軍 劉惠蓮 肖利

社會科技的發展推動了傳感器技術的廣泛應用，同時也使得國內外物理教育領域開始重視傳感器在物理實驗（教學）中的應用，其目的在于培養學生的科技意識、創新能力和科學素養。在中學物理實驗教學中引入傳感器技術，不僅使某些傳統物理實驗器材無法完成的實驗成為可能，極大地提高中學物理實驗教學績效，還能促使學生了解先進的科學技術，感悟科學的魅力，獲得科學的學習方法，形成正確的思維方式。我國在物理新課程改革的過程中也非常重視傳感技術、信息技術、計算機技術等在物理實驗中的應用，強調將傳感器應用于物理學科，并且在《物理課程標準》中使用了諸如“了解”、“知道”、“列舉”、“分析”、“調查”、“制作”等詞匯來描述對傳感器及其教學的要求。例如在選修1-1的“電磁技術與社會發展”部分中明確提出“了解常見傳感器及其應用，體會傳感器的應用給人們帶來的方便。知道溫度傳感器具有將溫度信號轉變為電信號的作用”。以及在選修3-2中專門列出了傳感器的內容標準，提到“知道非電學量轉換成電學量的技術意義；通過實驗，知道常見傳感器的工作原理，通過實驗認識溫度傳感器將溫度信號轉變為電信號的作用；列舉傳感器在生活和生產中的應用，了解光敏傳感器及其在日常生活中的應用”。由此可見，將傳感器融入中學物理課程以及實驗教學的做法已經成為一種共識，成為新課程改革的重要內容，也是我國物理教育研究領域的新趨勢。

傳感器與中學物理實驗的整合能否取得成效，很大程度上取決于研究者和物理教師在此過程中所采取的策略是否有效，取決于是否體現了兩者整合的發展特點和趨勢。開展策略研究的目的不僅僅在于開展有效教學，同時還要起到引領該研究領域不斷發展的作用，即兩者整合的策略研究必然要超越教學實施的層面，要在制度和理論層面起到積極的引領作用。

傳感器教學是新課程改革的重要內容，結合新課程改革開展有效的策略研究符合新課程改革的理念。我們認為，在傳感器教學過程中的策略主要包括利用傳感器開展實驗探究，針對中學物理實驗內容開展全面系統的研究，開展中學物理實驗設計以及結合傳感器和中學物理實驗開展教研活動等幾個方面。有效的策略將會對傳感器與中學物理實驗整合的研究起到積極的促進作用。

一、開展探究教學——改變傳統實驗教學方式

開展探究教學策略是指在傳感器與中學物理實驗整合過程中，以傳感器為操作平臺，以探究為教學方式的研究策略。實驗探究教學是指在教師引導下，學生運用已有的物理知識和技能，通過自己設計實驗方案、進行實驗操作、處理和分析數據、解決物理問題和探索結論的一種教學模式。實驗探究模式一般包括“提出問題——實驗設計——實驗探究——獲得結論”等環節和過程[1]。開展物理實驗探究教學可以改變傳統教學過程中過于強調物理知識和技能的傾向，有利于提高學生實驗的興趣，有利于提高學生的實驗技能，促進學生積極主動地參與到學習過程中來，使之在經歷科學探究的過程中學會學習和思考，逐步培養學生的科學探究精神、參與意識、合作能力、實踐能力和創新能力等。這就要求教師在開展實驗探究教學的過程中，著力激發學生的學習興趣，創造學生主動參與的氛圍，充分調動學生參與實驗探究教學的積極性和主動性[2]。

新課程改革之后，實驗探究已經成為實現新課程目標的重要手段和內容。物理實驗探究教學不僅要求教師具有探究的意識，還要求為教師配備基本的實驗器材和實驗平臺。由于我國缺乏實驗探究的傳統，很多中學一線教師在開展實驗探究的過程中往往會遇到實驗器材或技術上的困難，因此，將傳感器應用于物理實驗探究教學是一個行之有效的策略。傳感器能夠精密準確地探測、感受外界信號，并將之轉變成電信號，教學使用的傳感器具有操作簡便、數據圖像準確清晰的特點，而且品種齊全。我國目前中學和高校使用的傳感器主要包括美國PASCO公司生產的PASCO傳感器系統和上海朗威DISLab傳感器系統，這兩套系統基本都涵蓋了中學物理所涉及到的實驗種類和實驗內容。將傳感器技術應用于物理實驗探究教學中，實驗操作簡單方便，可以為學生和教師開展探究節省大量時間，學生不必從實驗器材上考慮實驗的可行性與可操作性，而且實驗數據的采集和分析非常精確，圖像清晰，學生可以集中精力思考實驗探究的方法和思路，為實驗探究設計方案，完成實驗探究的過程。這也符合實驗探究的真正目的，可以更加有效地培養學生的創新思維能力。

以傳感器為平臺開展實驗探究的策略，可以有效地促進傳感器與中學物理實驗整合的有效性，可以有效地改變傳統實驗教學的方式，學生不再是一味聽教師講、看教師做，而是要積極主動地猜想、假設并實驗證明，對實驗的事實加以分析并獲得結論。這必將有利于學生物理實驗能力的提高，促進傳感器與中學物理實驗整合的研究。

二、開展系統研究——使中學物理教師得以借鑒

傳感器與中學物理實驗的整合研究已經成為物理新課程改革的重要內容和理念，是科學技術、信息技術與物理實驗課程整合的重要突破口，對于提高學生的動手實踐能力、提高學生的綜合素質以及創新思維能力有著重要的作用。國外在這方面的研究經驗和我國的現實狀況都顯示出我國傳感器與中學物理實驗整合的做法缺乏系統性，沒能從整體的視角加以研究。

開展系統研究策略是指在將傳感器與中學物理實驗整合過程中，要有整體的研究思路，結合義務教育階段和高中階段的物理實驗要求和設置，從力學、熱學、電學、光學等專題角度開展全面而系統的研究，為中學物理教師開展傳感器的教學提供理論指導和借鑒。從已有的研究中發現，我國現有的整合研究以案例為多，而且實驗的類型多以驗證性實驗或測量性實驗為主，缺乏系統地將傳感器應用于中學物理實驗的做法。由于中學階段經費有限，很多中學沒有能力購置傳感器設備，所以我國的傳感器與實驗整合的研究主要集中在高校，相對系統的研究主要以碩士畢業論文的形式呈現，中學一線教師的系統研究相對較少。這在很大程度上限制了中學物理教師參與傳感器研究的工作，也無法為廣大中學物理教師提供系統而足夠的示范，無法達到傳感器應用于中學物理實驗的理想價值。

因此，我們應該系統地對傳感器與中學物理實驗整合加以研究，既結合案例研究，又要涵蓋中學物理實驗的整體，將義務教育和高中教育階段的物理實驗內容通過傳感器開展全面的研究，并將研究內容和研究成果以適當的形式展示出來，為中學一線物理教師和高校實驗研究人員提供必要的借鑒和指導。同時，在研究過程中要具有更為廣泛的研究視角，從理論探討到策略分析，從模式建構到資源開發，從實驗設計到實驗探究等方面進行系統的研究。系統研究的策略要求我們要緊密結合義務教育階段和高中階段的物理課程標準和實驗內容要求，利用傳感器有針對性地開展全面的實驗設計與研究，以便為中學物理教師開展傳感器教學提供案例觀摩和參考，促進傳感器與中學物理實驗的整合。唯有此才能實現傳感技術與物理實驗整合的系統化和全面化，才能為中學物理教師提供更直接、全面的指導。通過系統研究，可以促進傳感器技術在中學物理教學中的有效應用，使傳感器成為中學物理實驗教學中重要而常見的操作平臺。

三、開展實驗設計——提高實驗設計與開發能力

中學物理實驗的設計和研究能力是物理實驗教學的重要目標和內容，也是傳感器與中學物理實驗整合的重要策略之一。中學物理實驗設計是一種介于基礎教學實驗和實際科學實驗之間的、具有對科學實驗全過程進行初步訓練的實驗教學方式，學生根據物理實驗原理和要求，運用已學過的實驗方法，結合實驗器材，設計出合理的實驗方案并加以實施的過程[3] 。中學物理實驗設計涉及到對物理實驗原理的深刻理解，實驗器材的合理選取，實驗步驟的設計和安排，實驗操作的合理進行，以及實驗數據的分析處理、實驗結論的得出等一系列過程，這些對于學生創新思維能力、動手操作能力、小組合作和交流能力的培養都有十分重要的作用。

將傳感器系統作為開展實驗設計的操作和研究平臺，可以有效提高學生的實驗設計與研究能力，促進學生創造性思維能力的發展。一般的數字傳感器由計算機接口、傳感器和軟件三部分組成。其中傳感器用來采集數據，將各種外界信號轉換成電腦可以識別的電信號，通過數據轉換接口在電腦軟件中顯示即時的實驗數據。運用傳感器開展的實驗設計，學生通過自己查閱和搜集資料自行推證有關理論，自行設計實驗方案，自行選擇實驗器材，獨立地進行操作和測量，對學生實驗設計和研究能力、創新能力的培養具有不可估量的作用。

在傳感器與中學物理實驗整合過程中，教師要盡可能多地為學生創造開展物理實驗設計的機會，使學生在完成中學物理實驗的過程中感受傳感器的優點和科學技術的魅力，體會實驗設計的重要價值。教師要有步驟地引導學生由易到難地開展實驗設計，初級階段的實驗設計題目和內容可以完全由教師決定和完成，之后可以是教師跟學生合作完成，高級階段的實驗設計則主要由學生自行完成。教師要鼓勵學生積極參與實驗方案設計的過程中來，大膽地提出自己的設計思想，針對同一物理實驗設計多種解決方案，鼓勵學生運用多種證據對自己的實驗方案進行論證，提出完善和改進的建議等。

例如，在牛頓第二定律的實驗過程中，我們利用PASCO傳感器對之進行了重新設計和改進。傳統的牛頓第二定律實驗是用沙桶帶動小車運動，通過打點計時器在紙帶上打點來分析和研究。但此方法要求沙桶質量遠小于小車質量，而且打點計時器打點過程對實驗亦有影響。為此，我們在研究過程中利用運動傳感器來分析加速過程的實驗數據，并且將沙桶（我們用砝碼代替）自身的加速度問題也考慮進去，不再忽略沙桶自身的影響，實驗效果非常準確[4]，參與的學生和教師的實驗設計能力也得到了提升。

四、開展教研活動——促進教研意識與能力發展

在新課程改革背景下，教師的教學活動與研究活動是密切相關的，教師已經不是傳統的教書匠，一個教師不僅要把書教好，即把知識和技能傳授給學生，還要教會學生學會學習，學會思考和研究。這就需要教師具備基本的教學研究意識，在完成知識教學的同時，要開展一定的教學研究工作，掌握教學研究的基本方法，將教學經驗層次的問題升華為更高層次的理論問題，從而提升研究的能力和水平。

在傳感器與中學物理實驗整合過程中開展教研活動是提高整合層次和水平的重要策略，這不僅有利于教師提升自己的研究能力，還可以更加有效地帶動學生參與科研過程，提高研究能力。教師要緊密圍繞傳感器與中學物理實驗教學有意識地發掘一些問題，緊密圍繞傳感器與中學物理實驗的整合研究，保證教研活動的完整性和目標的指向性，使這種教研活動成為物理教師改進中學物理實驗手段、提高實驗效率、體會科技發展、開展實驗探究、培養創新能力的重要手段和方式。結合傳感器與中學物理實驗開展教學研究的內容比較廣泛，可以從理論上進行一些探討。例如，國內外傳感器教學的進展和現狀、傳感器的重要性、將傳感器與物理實驗整合的方式方法等。也可以結合具體的實驗案例開展一定的實驗研究與分析，例如實驗驗證動能定理的研究[5]、單擺的實驗設計[6]、動量定理的實驗設計與研究[7]等。在動量定理的實驗研究過程中，我們將不易測量的合外力沖量通過力傳感器測出，將動量的變化用運動傳感器測出，兩者進行比較即可分析出沖量和動量變化的關系。在研究過程中，教師不僅提高了教研的意識和能力，還積極引導學生參與科學研究的意識，教給他們基本的研究方法，這對參與研究的學生起到了積極的引導作用，提高了學生的科學素養和科學研究能力。通過教研活動的開展，可以促進教師專業能力和學生科研能力的發展，為創新型人才的培養奠定基礎。

傳感器與中學物理實驗的整合是物理新課程提倡的重要內容和理念，體現了物理課程與科學技術的結合，也體現了物理課程內容的選擇性和前沿性，其整合研究已經成為我國中學物理實驗改革和研究的重要課題。策略更具普遍意義和方法論意義，開展有效的策略研究將會非常有效地促進傳感器與中學物理實驗整合的研究。

參考文獻

[1] 劉茂軍.用數據采集器實施“實驗探究”教學的理論與實踐.教學研究，2011（2）.

[2] 姚文俊，武豐旭.發展學生主體性的教學策略研究.中國教育學刊，1998（2）.

[3] 劉茂軍.中學物理實驗設計思想方法拾萃.物理教師，2012（1）.

[4] 劉茂軍，劉惠蓮，肖利.基于傳感器的牛頓第二定律實驗設計與研究.中學物理教學參考，2012（11）.

[5] 劉茂軍，趙志剛，肖利.實驗驗證動能定理的研究.中小學實驗與裝備，2007（4）.

[6] 劉茂軍，尹立群，肖利.用PASCO儀器研究單擺的實驗設計.中學物理，2011（2）.

[7] 劉茂軍，肖利.動量守恒的實驗設計與研究.中學物理，2012（3）.