中學物理實驗與傳感器整合研究述評

劉茂軍 張 勇

（吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000）

1 引言：傳感器與物理實驗的整合研究受到重視

隨著科技的不斷發展與傳感器技術的廣泛應用，國內外物理教育領域都開始重視傳感器在物理實驗（教學）中的應用，旨在培養學生的科技意識、動手能力和創新能力.美國《國家科學教育標準》中強調要通過在科學課堂中充分利用計算機等技術和工具，為教師和學生開展科學探究、更好地理解科學本質提供機會.我國在新課程改革中也非常強調信息技術（主要指傳感器、計算機等）與物理實驗的結合，強調物理學科與科學技術的結合，并使用了諸如“了解”、“知道”、“體會”、“制作”等動詞來描述對傳感器及其教學的要求.在《物理課程標準》選修模塊1-1、2-1和3-2中都有關于傳感器的描述.例如在1-1中提到：“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”.在附錄的第一部分“物理實驗專題”供選擇的實驗示例中也提到：“選用傳感器制作控制電路”，而且選修3-2模塊中的3個二級主題中有一個是“傳感器”.內容標準中要求學生“知道非電學量轉換為電學量的技術意義；通過實驗知道傳感器的工作原理；列舉傳感器在生產和生活中的應用”，活動建議也提出“利用傳感器制作簡單的自控裝置”等建議.［1］可見，我國的物理新課程改革十分重視傳感器及其應用的教學，在中學物理教材中也提倡運用傳感器來開展中學物理實驗.

由此可見，將傳感器融入到中學物理實驗、物理教學的做法已經成為一種官方意識與行為，已經成為引領物理教育發展的新趨勢.尤其利用傳感器來完成中學物理實驗已經成為物理教師改進實驗手段、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.國內外的很多研究人員已經就此開展了一定的研究工作，筆者結合自己的研究，對近年來傳感器與中學物理實驗整合研究的情況進行了系統整理和歸納，以期對中學物理教師、物理教育研究人員有所啟示.

2 國外（境外）傳感器與中學物理實驗整合研究的基本情況

隨著科技的不斷發展與傳感器技術的廣泛應用，國外很多國家都非常重視傳感器在物理實驗教學中的應用，旨在培養學生的科技意識、動手能力和創新能力.尤其自1980年代之后，傳感器技術已被許多國家運用到物理教學中，基于傳感器的物理實驗教學在美國、英國、日本、韓國等國家和地區已經實踐多年.國外教育領域專家一直在研究基于傳感技術的物理實驗教學問題，美國《國家科學教育標準》中強調：“可通過在科學課堂中充分利用計算機等技術為工具，為教師與學生開展科學探究與更好地理解科學的本質提供給機會”.美國的中學物理實驗教學中，數據信息采集工具（主要是傳感器）的應用非常廣泛，主要用以測量一些過程短暫難以觀察又十分重要的物理實驗，如對于機械波、光的干涉和衍射、電磁感應等的研究等.新加坡教育司于2003年起陸續撥出上百萬美金專門用于數據信息采集器材的購置和技術培訓.此外，文萊、馬來西亞和我國臺灣地區也先后投入了大量的資金，進行相關的實驗室建設和基于傳感器的物理實驗教學研究.國外應用比較廣泛的傳感器數據采集系統主要包括：美國PASCO公司生產的數據采集系統，英國Pico Technology公司生產的數據采集系統，澳大利亞Dava Harverst公司生產的數據采集系統，美國Fourier System公司生產的數據采集系統等.

國外（境外）尤其是發達國家（或地區）將信息技術以及相關的傳感器整合到中學物理實驗教學的做法較早，傳感器技術較為成熟，教學條件也比較優越，也有很多較為成功和著名的開發企業，而且其開發的傳感器被很多國家購買和使用；亞洲等不發達地區和國家則是以購買國外技術相對成熟的傳感器系統來進行中學物理實驗教學研究，旨在促進傳感器與中學物理實驗教學的整合.

3 我國傳感器與中學物理實驗整合研究的基本情況

國內將傳感器與中學物理實驗整合研究主要包括3個方面內容：PASCO傳感器實驗操作系統、DISLab傳感器實驗操作系統、傳統傳感器與中學物理實驗的整合.

3.1 運用PASCO實驗操作系統開展的有關研究

一些研究人員開展了物理“實驗探究”的教學研究，［2－4］探討了利用PASCO傳感器開展中學物理“實驗探究”教學的理論意義與價值：開展“實驗探究”教學有利于學生實驗設計與探究、實驗創新等能力的提高，并論述了“實驗探究”教學的基本程序和實際做法.認為利用數據采集器（即傳感器）具有培養學生精細敏銳的感知和觀察能力、拓寬學生探究性學習的空間等優勢，并且提出了數據采集器與信息技術整合的教學思路.還有研究者研究了利用PASCO實驗平臺對中學物理實驗進行開發與拓展，對傳統實驗與數字傳感器進行了優化整合，提出了PASCO實驗平臺的拓展訓練模式、主要任務及意義特征，認為PASCO實驗平臺與計算機、電控等技術有著很高程度的交叉，對于培養學生的創新能力、拓寬知識和學生視野、提高學生動手能力和創造能力等具有特殊的優勢，也可以為教師開展物理新課程提供有力支持.［5－6］還有的研究人員從具體的案例出發將中學物理實驗與PASCO結合起來，如動量定理、牛頓第二定律、重力加速度、單擺、功能原理、加速度、光的干涉和衍射、電容器等實驗研究，［7－13］取得的實驗效果較傳統實驗更為精確，而且操作簡便，數據處理方便.也有的研究人員研究了傳感器與中學物理實驗整合的策略，提出了開展探究教學、開展系統研究、開展實驗設計、開展教研活動等策略，認為采取以上策略會有效地促進傳感器與中學物理實驗的整合.［14］

3.2 運用DISLab實驗操作系統開展的有關研究

部分研究人員等探討了DISLab實驗操作系統與中學物理實驗整合的價值，提出了基于DISLab的物理實驗探究教學方法和基本程序，認為利用傳感器開展實驗探究有利于學生理解知識的獲取過程，突出學生的主體地位.研究者結合案例研究認為DISLab實驗操作系統與物理實驗的整合有利于提高學生的創造能力，有利于提高實驗教學質量，為實驗創新與拓展提供多角度探究平臺.同時，研究者還認為DISLab系統必須與傳統實驗模式恰當整合，才能最大限度地發揮培養學生創造思維能力的作用.［15－18］潘洪濤等提出了3個基于DISLab實驗操作系統的高中物理實驗教學模式：促進認知模式、促進學習模式、基于DISLab的探究教學模式，并提出了基于DISLab的高中物理實驗教學評價模型，開發了一套web評價軟件系統.［19］陳奮策等探討了利用DISLab開展中學物理實驗的利弊，并用實例說明基于DISLab的創新實驗有利于培養學生創造性思維和STS教育理念，以及提高物理實驗質量，為實驗創新與拓展提供多角度探究平臺.［20］

丁玲則同時探討了PASCO數字化傳感器和朗威的DISLab數字化實驗系統，并將傳統實驗與數字化實驗進行了比較，在調查問卷的基礎上，對傳統實驗與數字化實驗整合進行了研究，例舉了力學、電學中的實例，認為將傳統實驗與現代技術結合起來可以提高學生動手能力和創造能力，也可以為教師實施新課程提供有力的參考和指導.［6］

3.3 運用傳統傳感器開展物理實驗的有關研究

一些研究者圍繞傳感器在中學物理實驗中的價值與應用進行了探討.部分研究人員探討了傳感器技術在中學物理實驗教學中的應用，介紹了傳感器的基本作用，以及在實驗操作、實驗設計過程、實驗現象演示、實驗規律的說明等方面所具有的優勢，使個別化學習和交互式教學成為可能，實現了教學方法上的多樣化、信息技術與傳統實驗整合的深層化；以傳感器和計算機為基礎實現信息技術教育與傳統中學物理實驗的整合，符合科技發展和國家新課程改革的要求；認為傳感器技術使物理過程和概念具體化、使物理現象直觀化，可以有效地促進學生深入地理解物理現象，養成獨立思考、大膽假設、嚴謹探索的科學精神，還有利于物理教師開展探究式教學等.［21－23］

余雪妹從新課程實驗教學的理念和內容出發，研究了傳感器在高中物理實驗教學中的應用，認為傳感器不僅是信息技術與物理課程整合、教育手段現代化的一個新的模式，而且有利于培養學生的創造性思維能力，并結合案例對傳感器在高中物理新課程實驗中的優點、應用程序與合理應用等方面進行了論述.［24］

也有研究者從案例出發來研究兩者的整合，于斌結合案例研究了力傳感器在初中物理（力學）中的應用，認為傳感器的應用可以使學生體會到現代科技與實驗結合的重要性，提高了學生能力.［25］周勇利用力傳感器從實驗原理、實驗過程、實驗數據等環節對單擺實驗進行了設計與研究，測量的周期結果非常精確.［26］

4 傳感器與中學物理實驗整合研究評介

4.1 傳感器系統種類偏少，主要集中在PASCO和DISLab兩種實驗操作系統

我國的傳感器應用起步較晚、種類偏少，通過自行開發和購置國外傳感器技術的做法也相對落后于發達國家.我國近年來引進的PASCO實驗操作系統是美國PASCO公司生產的，技術比較成熟，種類也比較多樣，有著較好的國際市場.但由于價位較高，我國購買的很大部分都是為高校配置的，普通中學則相對較少，在一定程度上影響了中學物理實驗與傳感器整合的研究.DISLab實驗操作系統是由上海市中小學數字化實驗系統研發中心和山東省遠大網絡多媒體股份有限公司合作開發的產品，有著較好的國內市場，在國內中學占有較大的份額，價格也較為適宜，但由于其開發時間較短，技術不夠完善和成熟，開發的實驗種類和數量相對較少，沒能完全覆蓋中學物理現有的實驗.

比較而言，國外在相關領域的做法則起步較早，而且技術較為成熟.國外教育領域專家一直在研究有關信息技術與物理實驗教學整合的問題，主要集中對于“基于微機的實驗室”（Microcomputer-Based Laboratories）、“數 據 采 集 系 統 ”（Datalogging）以及“手持”（Handheld System）實驗操作系統.［19］我國將傳感器應用于物理實驗的做法相對較晚，加之資金以及培訓等條件的限制，國內將傳感器配備于中學物理實驗的做法并不普遍，中學物理教師的相關研究較少；缺乏手持的較為輕小、便捷的傳感器設備，也沒有足夠的技術廠家對之進行開發.

4.2 傳感器與中學物理實驗整合程度不高，缺乏全面系統的研究

整體而言，我國將傳感器與中學物理實驗的整合以案例研究的方式較多，而且多以驗證性或測量性為主，缺乏系統地將傳感器應用于初中或高中物理實驗整體的研究，大多數研究者是基于實例或單獨的個案開展了研究.雖然有部分研究者也開展了較為系統的研究，但一般僅側重一部分，例如“基于PASCO平臺的高中物理力學實驗開發”是基于力學實驗的研究，“基于PASCO實驗的中學物理雙語教學”則側重于中學物理實驗教學中的雙語教學問題等，“基于數字化傳感器開展物理實驗教學的問題、方法與策略”相對比較完整地分析了數字化傳感器與中學物理實驗整合的問題、方法與策略問題.［27］有的則利用數據采集器開展實驗設計，列舉了一些實例，例如“數據采集器運用于中學物理實驗的研究”是結合具體案例從驗證性實驗、探究性實驗、應用性實驗3個方面進行的實驗研究，但沒有系統地對中學物理實驗開展全面的研究.這些相對較為系統的研究人員主要集中在高校，主要以畢業論文的形式呈現，中學物理教師的系統研究相對較少.

傳感器與中學物理實驗的結合是新課程提倡的重要內容和理念，體現了物理教學與科學技術的結合，也體現了物理課程內容的選擇性和前沿性.然而，僅僅局限于幾個典型案例與部分碩士論文的分析與研究顯然是不夠的，也無法為廣大中學物理教師提供足夠的示范和指導，也就無法達到傳感器與中學物理實驗整合的理想價值.

4.3 趨勢分析與展望

（1）利用傳感器開展實驗探究教學.

物理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、解決物理問題和探索結論的一種教學模式.［23］物理實驗探究教學可以改變傳統教學過于側重知識和技能傳授的做法，讓學生在經歷科學探究的過程中學習科學知識和科學研究的方法，培養科學探究的精神和實踐能力、創新能力等.新課程改革之后，實驗探究教學已經成為實現新課程目標的重要手段和內容.然而，由于我國缺乏實驗探究的傳統，很多教師在開展實驗探究教學時往往會遇到理論上、技術上、儀器上的困難.筆者認為，將傳感器應用于物理實驗探究教學是一個很好的辦法和出路，將傳感器技術應用于物理實驗探究教學中，可以取得傳統實驗無法達到的良好效果.傳感器具有操作簡便、數據準確、品種齊全的特點，學生運用傳感器進行探究教學，可以不從實驗器材上考慮實驗的可行性與可操作性，以集中精力思考探究的思路、方法與策略，為實驗探究設計方案、采集數據、分析數據，為探究提供更多的思維空間.傳感器技術不僅彌補了傳統物理實驗教學工具的缺陷，而且革新了物理實驗儀器與方法，拓展了物理實驗的內容.這也符合了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.

可喜的是，我國部分研究者已經開展了利用傳感器開展物理實驗探究教學的相關研究，例如劉茂軍，余劍敏，賴莉飛，白明俠等.可以預見，將傳感器運用于物理實驗探究教學的做法必將為物理實驗教學以及物理新課程改革的深入發展提供重要的借鑒.

（2）傳感器與中學物理實驗整合的系統研究.

傳感器進入中學物理實驗室，已經成為信息技術與物理課程整合、實現教育手段現代化的一個新的突破口，而且利用傳感器還能突出物理學科重實際、重應用的特點，對培養學生動手實踐能力、學習科技的興趣、提高綜合素質以及發展創新思維有著重要的作用.國外的經驗和我國的實際情況表明，我國將傳感器運用于中學物理實驗的做法缺乏系統性和全面性，沒能從整體的視角加以研究和運用.我們應該系統地運用傳感器于中學物理實驗教學中，讓傳感器的研究不再局限于案例研究，而是具有更為廣闊的研究范圍，從理論研究、策略、模式、實驗探究、實驗設計、教學研究、實驗資源開發等方面以及對初中、高中兩個階段的物理實驗內容進行全面的系統研究.只有這樣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.

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，極大地提高了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.通過系統研究，可以促進傳感器技術在中學物理教學中有效應用，使傳感器成為中學物理實驗教學中的重要而常見的操作平臺.

5 結語

傳感器與中學物理實驗的整合研究已經成為我國中學物理實驗改革和研究的重要內容與課題.然而由于我國傳感器與中學物理實驗整合研究起步較晚，以及經費等限制，很多中學沒有條件購置相關的傳感器，無法開展有效的實驗研究，這在一定程度上影響了我國此項研究的進展.實踐證明，傳感器具有很多傳統物理實驗無法替代的優點，對學生接觸科技新成就與發展，提升實驗探究、實驗設計、創新能力具有重要的研究價值.傳感器與中學物理實驗的整合研究必將成為我國中學物理實驗研究的重頭戲，成為提升學生創新能力和科學素養的突破口.

1 普通高中物理課程標準（實驗稿）.http：//www.pep.com.cn/gzwl/jszx/tbjx/kb/kbdg/kcbz/.

2 劉茂軍等.用數據采集器實施“實驗探究”教學的理論與實踐［J］.教學研究，2011（2）：58－60.

3 余劍敏.應用數據采集器進行物理實驗的探究性學習［J］.中國教育技術裝備，2007（12）：48－49.

4 賴莉飛.動量定理定量探究實驗的設計［J］.物理實驗，2002（8）：29－30.

5 武欣.基于PASCO平臺的高中物理力學實驗開發［D］.烏魯木齊：新疆師范大學，2010.

6 丁玲.高中物理教學中的傳統實驗和數字化實驗優化整合的實踐研究［D］.上海：上海師范大學，2008.

7 劉茂軍等.動量定理的實驗設計與研究［J］.中學物理，2012（3）：42.

8 劉茂軍等.用PASCO傳感器研究單擺的實驗設計［J］.中學物理，2012（3）：47－48.

9 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［J］.中學物理教學參考，2012（11）：46－47.

10 劉茂軍等.基于傳感器的牛頓第二定律的實驗設計與研究（續）［J］.中學物理教學參考，2014（1－2）：105－106.

11 劉茂軍等.利用傳感器測量重力加速度大小的實驗設計［J］.物理教師，2013（9）：54－55.

12 涂勤昌，盧海洋，李訓譜.用PASCO儀器做碰撞演示實驗［J］.物理實驗，2003（5）：28－29.

13 朱海平.PASCO實驗在物理教學中的應用［J］.麗水學院學報，2007（2）：89－91.

14 劉茂軍等.傳感器與中學物理實驗整合的策略研究［J］.教學與管理，2013（9）：149－151.

15 紀為民.DISLab對中學物理實驗的幫助［J］.中國現代教育裝備，2011（14）：39－40.

16 楊利平.淺談DIS實驗系統的應用與學生創造性思維能力培養［J］.現代物理知識，2010（6）：40－42.

17 陳奮策.中學DIS物理創新實驗研究［J］.咸寧學院學報，2011（12）：236－237.

18 趙春然.數字化實驗系統DISLab與傳統演示實驗對比研究［J］.高師理科學刊，2011（1）：94－96.

19 潘洪濤.數字化信息系統實驗室（DIS）應用研究——以高中物理實驗教學為例［D］.上海：上海師范大學，2007.

20 陳奮策.中學DIS物理創新實驗研究［J］.咸寧學院學報，2011（12）：236－237.

21 湯月明，謝紫娟，張文杰.傳感器技術在中學物理實驗教學中的應用［J］.中國電化教育，2006（11）：53－55.

22 林玉倫.傳感器技術在中學物理實驗中的應用［J］.教學儀器與實驗，2005（3）：17－18.

23 毛海玲.傳感器用于中學物理實驗初探［J］.中學物理，2011（24）：34

24 余雪妹.傳感器在高中物理新課程實驗教學中的應用與思考［J］.物理教學探討，2011（2）：70－73.

25 于斌.力傳感器在初中物理（力學）中的應用［J］.物理教學，2011（9）：30－31.

26 周勇.利用力傳感器測量單擺周期［J］.物理實驗，2008（10）：23－25.

27 劉茂軍等.基于數字化傳感器開展物理實驗教學的問題、方法與策略［J］.物理教學探討，2013（11）：71－73.