高中物理教學中傳感器實驗六步法

一、數字化實驗系統的優勢與不足

數字化實驗系統（DIS）指由“傳感器+數據采集器+軟件包+計算機”構成的實驗系統。實驗時，傳感器可獲取實驗數據，并傳輸給數據采集器;采集器對數據進行轉換后傳輸給計算機;實驗數據經過軟件處理后以數值、曲線、圖表等不同的方式呈現，教師和學生可以根據教學需要對數據進行分析與處理^[1]。

（一）數字化實驗系統的優勢

數字化實驗系統的優勢表現在實驗過程“可視化”、實驗設計“重點化”、數據采集與處理“智能化”、教學過程“現代化”。

1.實驗過程“可視化”

實驗過程包括時間和空間兩個維度。實驗者通過數字化實驗系統可以實現這兩個維度的可視性。例如，對于電容器的充、放電過程，碰撞過程中的沖力變化等瞬時過程，實驗者利用數字化實驗系統可以實現瞬間變化的“可視化”。

2.實驗設計“重點化”

數字化實驗系統依靠傳感器采集數據，借助計算機軟件記錄和處理數據，可使得學生免去大量運算過程，避免手工作圖的煩瑣和誤差。學生節省出來的時間和精力可以更多地用于實驗設計，用于合作探究，用于數據分析，用于驗證與修改假設，而這些正是理解物理概念、掌握客觀規律所必要的。

3.數據采集“智能化”

數字化實驗系統中的數據采集器可以同時接入多個相同的或不同的傳感器，同時采集多種相同或不同種類的物理量。例如，在彈簧振子的振動實驗中，教師開展數字化實驗可以同時采集彈簧振子運動過程中速度、位移、加速度、回復力數據，并通過圖像展示在學生面前，從而幫助學生獲得直接的觀察經驗。

4.教學過程“現代化”

開展數字化實驗時，教師可以直接調用設計好的實驗模板，也可以根據需要設計個性化的實驗模板。在數據處理過程中，教師可以進行數據擬合、積分運算，幫助學生找出數據之間的關系，認識物理規律。實驗結束后，教師可以創建電子版報告，方便學生學習和完善。

5.實現與傳統實驗的整合

無論實驗設計，還是器材的安裝，DIS實驗都是在傳統實驗的基礎上進行的。盡管數字化實驗中用傳感器替代了部分測量儀器，但實驗教學體系并沒有“斷層”。將傳統實驗的設備合理利用在DIS實驗中，可提高實驗的精度和可信度。

（二）DIS實驗中遇到的問題及對策

數字實驗系統相比傳統的實驗器材有很大的優勢，但在軟硬件方面也存在一些不足和問題，給實驗操作帶來不便，甚至是困擾。

1.軟件兼容問題及對策

數字化實驗系統由硬件和配套軟件構成，軟件與產品出廠時市面上的電腦操作系統相匹配，但隨著電腦系統逐漸更新，軟件也要更新。學校要與生產廠家保持聯系，索要系統更新后對應的軟件包，但更新后的軟件往往會與新系統不兼容。

應對策略：在實驗室或特定電腦中安裝兼容性最好的操作系統，專做DIS實驗。

2.數據讀取問題及對策

在傳統的實驗操作中，無論用什么儀器讀數，精度都有一定的規則，因此只要按照規則去取小數位就好。數字化實驗系統是借助傳感器采集數據，所以在測量的位數取舍上沒了約束，數據讀取的誤差也無從分析。

應對策略：有選擇性地使用DIS實驗，與傳統實驗器材配合使用。練習讀取數據時用傳統器材，在進行探究實驗和演示實驗時用DIS實驗。

3.數據導出問題及對策

數字化實驗系統是在特定軟件的支持下運行的，用其采集數據和描繪圖像十分方便。然而，這些數據和圖像只能在特定軟件環境下再次打開。顯然，數據導出和分享存在一定的局限性。

應對策略：利用截圖軟件，獲取重要圖像數據。配合使用Excel軟件，輔助記錄和處理數據。

數字化實驗系統應用于物理教學，改進了教與學的方式，在提升學生實踐能力、創新能力方面優勢明顯。然而，在使用過程中教師也遇到種種問題和困惑，還需要潛心鉆研，不斷嘗試，努力將傳感器實驗用于日常教學，讓學生體驗數字化實驗的魅力。

二、DIS實驗案例

經過大量的DIS研究和實際操作，筆者總結了一套實驗的操作流程，命名為“傳感器實驗六步法”。無論是教師演示實驗，還是學生實驗，按此六步進行，都可以取得較為滿意的效果。此處，以用伏安法測電源的電動勢與內阻、研究光敏電阻的特性曲線兩個實驗為例，說明DIS實驗操作的一般流程與方法。

（一）用伏安法測電源的電動勢與內阻（例1）

實驗器材：計算機、數據采集器、電流傳感器、電壓傳感器、干電池、滑動變阻器、開關、導線。

實驗原理：由閉合電路歐姆定律=+可知，通過路端電壓和總電流的多組測量值，即可求出電動勢和電源內阻。

實驗步驟如下。

1.選擇傳感器，設計實驗

類比傳統實驗中用伏安法測電源的電動勢與內阻的實驗電路圖（如圖1），分別用電壓傳感器與電流傳感器代替電壓表和電流表，很快設計出DIS的實驗電路（如圖2）。

2.安裝傳感器及其配件

學生根據實驗電路圖，連接實物。

3.進行實驗，實時顯示測量進程

首先，將滑動變阻器電阻調到最大處，然后接通閉合電鍵。將軟件的采樣設置為“按點采樣”，當滑動變阻器接入電路中不同的電阻時，可以獲取不同的電壓與電流值，并將采集的數據顯示出來（如圖3）。

4.采樣數據，擬合圖像

將實驗采集到的離散點進行線性擬合，獲得一條擬合直線，直線的截距即為電動勢，斜率即為電源的內阻。

5.分析數據，得出結論

電源的電動勢為2.5 V，內阻為1.6512 Ω。

6.保存數據，書寫報告

在教師的指導下，學生保存實驗中的重要圖像，然后點擊DIS-lab實驗運行平臺的保存按鈕，將實驗按“日期+實驗名稱+實驗者”的格式命名保存。學生完成實驗報告并打印上交。

此實驗中，電流傳感器和電壓傳感器配合使用，代替電流表和電壓表，功效優越——數據記錄準確且數據處理迅速。從數據點的分布可以直觀地看出物理量的一次關系。應用軟件的擬合功能，可以很好地擬合出一條直線，并顯示出直線圖像對應的解析式，進而從中直接得到電源的電動勢和內阻。相對于傳統實驗中的數據讀取、記錄，以及在坐標紙上描點、作圖來說，效率大大提高。

（二）研究光敏電阻的特性曲線（例2）

傳感器是將不容易測量的非電信號轉化為容易測量電信號的器件，傳感器的核心元件是其中的敏感元件。常用的敏感元件有壓敏電阻、熱敏電阻和光敏電阻。

傳統教學中，如果要研究光敏電阻的特性，需要測量光照度，而實驗室一般沒有測量光照的器材。利用DIS-lab系統測光強非常方便，也可以在課堂上將電阻的特性規律展示出來。

實驗器材：光敏電阻、臺燈、多用電表、數據采集器、計算機。

實驗過程如下。

首先，教師向學生演示生活中應用傳感器的例子，比如聲控的電子蠟燭和聲控燈。通過上述演示實驗將學生帶入情境，激發學生的學習興趣，順勢引出傳感器的定義和原理。

1.選擇傳感器，設計實驗

教師讓學生思考測繪光敏特性曲線需要何種傳感器，并以小組形式討論設計實驗步驟。

學生發現，測量電阻可以用多用電表，測量光照度可以用光傳感器，通過改變環境光照度，可以得到不同光照度下的電阻值，同時利用電腦軟件可以得到光照度與電阻的特性曲線。

2.安裝傳感器及其配件

學生按照實驗的要求安裝好光傳感器、數據采集器和電腦，準備好臺燈、多用電表、光敏電阻（如圖4）。

3.進行實驗，實時顯示測量進程

環境光強可通過控制窗簾和臺燈來改變。師生在窗簾全閉、開一個窗簾、開兩個窗簾、開臺燈近光、開臺燈遠光這幾種情況下測量電阻，得到所需的光照度和電阻數據點（如圖5）。

4.采集數據，擬合圖像

每改變一次光照度，就用多用表的歐姆檔測量一次電阻，并用數字傳感器測量一次光強，將采集的實驗數據錄入Excel表格中。

教師讓學生思考如何分析電阻與光照度的關系，即思考實驗數據的分析方法。學生利用計算表格的繪圖功能得到光敏電阻的電阻值隨光強的變化曲線。

5.分析數據，得出結論

由光敏電阻的光照特性曲線可知：當光照度很小時，光敏電阻的電阻非常大;當光照度很大時，光敏電阻很小;當光照度增加時，光敏電阻會隨光照度的增加而急劇地減小。教師借助圖像將光敏特性直觀形象、簡潔地展示出來。

6.保存數據，書寫報告

學生點擊DIS-lab實驗運行平臺的保存按鈕，將實驗按“日期+實驗名稱+實驗者”的格式命名保存。學生完成實驗報告，打印上交。

在日常生活中，傳感器的應用也是很普遍的，例如聲控燈里就有聲敏電阻和光敏電阻，電飯鍋里就有溫敏電阻。然而，密切聯系生活的實驗很少出現在物理課堂上。利用數字化實驗系統進行上述實驗，實現了實驗過程的可視化，縮短了實驗時間，趣味性和可探究性都有所提高，這正是物理課堂所需要的。

三、傳感器實驗六步法的理論總結

具體步驟與方法如下。

第一步，選擇傳感器，設計實驗。

根據實驗要求選擇合適的傳感器，做好實驗的設計方案，使用傳感器采集實驗數據，并畫出實驗設計圖。

第二步，安裝傳感器及其配件。

先根據實驗設計圖，按照實驗要求安裝好實驗器材、傳感器、數據采集器和電腦，再打開DIS-lab軟件，進入通用界面，對傳感器窗口進行調零，確保傳感器及其配件工作正常。

第三步，進行實驗，實時顯示測量進程。

先打開軟件數據采集開關，進行實驗操作，開始采集實驗數據，再通過顯示器實時顯示測量進程，對出現的情況進行分析、處理。

第四步，采集數據，擬合圖像。

應用DIS軟件的數據記錄和處理功能，可實現實驗操作、數據記錄和圖像擬合一體化。系統直接獲得的數據往往以散點圖的形式顯示，有時不能直觀呈現物理量間的關系。對實驗數據進行圖像擬合，就可以直觀顯示一次關系、指數關系、反比例關系等。

數據的整理有三種形式：針對一次實驗全部數據的采集和擬合、針對一次實驗部分數據的采集和擬合、針對多次實驗部分數據的采集和擬合。師生根據不同的實驗要求來選擇。

第五步，分析數據，得出結論。

學生根據實驗數據和擬合圖像分析討論，得出實驗結論。

第六步，保存數據，書寫報告。

教師指導學生完成實驗報告并打印上交。主要做好三件事：一是保存實驗設置，便于以后進行同類實驗時調用;二是保存計算表格，在表格中添加一個備注，用來記錄實驗名稱、實驗條件和重要的實驗數據等;三是利用截屏技術存儲重要實驗圖片。

物理實驗不僅是物理教學的重要手段和方法，而且是物理教學的重要基礎和重要內容。數字化實驗系統應用于物理教學，是對教學手段的改進。學習者只有從數據讀取、記錄、公式運算和圖像描繪等繁雜的簡單勞動中解脫出來，才有時間和精力對物理現象進行深度感知、探究和思考。筆者總結出的“傳感器實驗六步法”，為教師使用數字化實驗系統改進物理教學提供了參考。

注：本文系河北省教育科學“十三五”規劃課題“高中物理教學中應用數字化實驗的策略研究”（1704094）項目研究成果。

參考文獻

[1] 李彥清，高嵩.基于DIS實驗技術的平拋運動教學設計[J].物理教學，2016（11）：28-30.

（作者王剛系河北省邯鄲市教育科學研究所教研員、高級教師;楊天照系河北省邯鄲市第一中學教師）

責任編輯：祝元志