中学物理实验与传感器整合研究述评

刘茂军 张 勇

（吉林师范大学物理学院，吉林 四平 136000）

1 引言：传感器与物理实验的整合研究受到重视

随着科技的不断发展与传感器技术的广泛应用，国内外物理教育领域都开始重视传感器在物理实验（教学）中的应用，旨在培养学生的科技意识、动手能力和创新能力.美国《国家科学教育标准》中强调要通过在科学课堂中充分利用计算机等技术和工具，为教师和学生开展科学探究、更好地理解科学本质提供机会.我国在新课程改革中也非常强调信息技术（主要指传感器、计算机等）与物理实验的结合，强调物理学科与科学技术的结合，并使用了诸如“了解”、“知道”、“体会”、“制作”等动词来描述对传感器及其教学的要求.在《物理课程标准》选修模块1-1、2-1和3-2中都有关于传感器的描述.例如在1-1中提到：“了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便”.在附录的第一部分“物理实验专题”供选择的实验示例中也提到：“选用传感器制作控制电路”，而且选修3-2模块中的3个二级主题中有一个是“传感器”.内容标准中要求学生“知道非电学量转换为电学量的技术意义；通过实验知道传感器的工作原理；列举传感器在生产和生活中的应用”，活动建议也提出“利用传感器制作简单的自控装置”等建议.［1］可见，我国的物理新课程改革十分重视传感器及其应用的教学，在中学物理教材中也提倡运用传感器来开展中学物理实验.

由此可见，将传感器融入到中学物理实验、物理教学的做法已经成为一种官方意识与行为，已经成为引领物理教育发展的新趋势.尤其利用传感器来完成中学物理实验已经成为物理教师改进实验手段、提高实验效率、体会科技发展、开展实验探究、培养创新能力的重要手段和方式.国内外的很多研究人员已经就此开展了一定的研究工作，笔者结合自己的研究，对近年来传感器与中学物理实验整合研究的情况进行了系统整理和归纳，以期对中学物理教师、物理教育研究人员有所启示.

2 国外（境外）传感器与中学物理实验整合研究的基本情况

随着科技的不断发展与传感器技术的广泛应用，国外很多国家都非常重视传感器在物理实验教学中的应用，旨在培养学生的科技意识、动手能力和创新能力.尤其自1980年代之后，传感器技术已被许多国家运用到物理教学中，基于传感器的物理实验教学在美国、英国、日本、韩国等国家和地区已经实践多年.国外教育领域专家一直在研究基于传感技术的物理实验教学问题，美国《国家科学教育标准》中强调：“可通过在科学课堂中充分利用计算机等技术为工具，为教师与学生开展科学探究与更好地理解科学的本质提供给机会”.美国的中学物理实验教学中，数据信息采集工具（主要是传感器）的应用非常广泛，主要用以测量一些过程短暂难以观察又十分重要的物理实验，如对于机械波、光的干涉和衍射、电磁感应等的研究等.新加坡教育司于2003年起陆续拨出上百万美金专门用于数据信息采集器材的购置和技术培训.此外，文莱、马来西亚和我国台湾地区也先后投入了大量的资金，进行相关的实验室建设和基于传感器的物理实验教学研究.国外应用比较广泛的传感器数据采集系统主要包括：美国PASCO公司生产的数据采集系统，英国Pico Technology公司生产的数据采集系统，澳大利亚Dava Harverst公司生产的数据采集系统，美国Fourier System公司生产的数据采集系统等.

国外（境外）尤其是发达国家（或地区）将信息技术以及相关的传感器整合到中学物理实验教学的做法较早，传感器技术较为成熟，教学条件也比较优越，也有很多较为成功和著名的开发企业，而且其开发的传感器被很多国家购买和使用；亚洲等不发达地区和国家则是以购买国外技术相对成熟的传感器系统来进行中学物理实验教学研究，旨在促进传感器与中学物理实验教学的整合.

3 我国传感器与中学物理实验整合研究的基本情况

国内将传感器与中学物理实验整合研究主要包括3个方面内容：PASCO传感器实验操作系统、DISLab传感器实验操作系统、传统传感器与中学物理实验的整合.

3.1 运用PASCO实验操作系统开展的有关研究

一些研究人员开展了物理“实验探究”的教学研究，［2－4］探讨了利用PASCO传感器开展中学物理“实验探究”教学的理论意义与价值：开展“实验探究”教学有利于学生实验设计与探究、实验创新等能力的提高，并论述了“实验探究”教学的基本程序和实际做法.认为利用数据采集器（即传感器）具有培养学生精细敏锐的感知和观察能力、拓宽学生探究性学习的空间等优势，并且提出了数据采集器与信息技术整合的教学思路.还有研究者研究了利用PASCO实验平台对中学物理实验进行开发与拓展，对传统实验与数字传感器进行了优化整合，提出了PASCO实验平台的拓展训练模式、主要任务及意义特征，认为PASCO实验平台与计算机、电控等技术有着很高程度的交叉，对于培养学生的创新能力、拓宽知识和学生视野、提高学生动手能力和创造能力等具有特殊的优势，也可以为教师开展物理新课程提供有力支持.［5－6］还有的研究人员从具体的案例出发将中学物理实验与PASCO结合起来，如动量定理、牛顿第二定律、重力加速度、单摆、功能原理、加速度、光的干涉和衍射、电容器等实验研究，［7－13］取得的实验效果较传统实验更为精确，而且操作简便，数据处理方便.也有的研究人员研究了传感器与中学物理实验整合的策略，提出了开展探究教学、开展系统研究、开展实验设计、开展教研活动等策略，认为采取以上策略会有效地促进传感器与中学物理实验的整合.［14］

3.2 运用DISLab实验操作系统开展的有关研究

部分研究人员等探讨了DISLab实验操作系统与中学物理实验整合的价值，提出了基于DISLab的物理实验探究教学方法和基本程序，认为利用传感器开展实验探究有利于学生理解知识的获取过程，突出学生的主体地位.研究者结合案例研究认为DISLab实验操作系统与物理实验的整合有利于提高学生的创造能力，有利于提高实验教学质量，为实验创新与拓展提供多角度探究平台.同时，研究者还认为DISLab系统必须与传统实验模式恰当整合，才能最大限度地发挥培养学生创造思维能力的作用.［15－18］潘洪涛等提出了3个基于DISLab实验操作系统的高中物理实验教学模式：促进认知模式、促进学习模式、基于DISLab的探究教学模式，并提出了基于DISLab的高中物理实验教学评价模型，开发了一套web评价软件系统.［19］陈奋策等探讨了利用DISLab开展中学物理实验的利弊，并用实例说明基于DISLab的创新实验有利于培养学生创造性思维和STS教育理念，以及提高物理实验质量，为实验创新与拓展提供多角度探究平台.［20］

丁玲则同时探讨了PASCO数字化传感器和朗威的DISLab数字化实验系统，并将传统实验与数字化实验进行了比较，在调查问卷的基础上，对传统实验与数字化实验整合进行了研究，例举了力学、电学中的实例，认为将传统实验与现代技术结合起来可以提高学生动手能力和创造能力，也可以为教师实施新课程提供有力的参考和指导.［6］

3.3 运用传统传感器开展物理实验的有关研究

一些研究者围绕传感器在中学物理实验中的价值与应用进行了探讨.部分研究人员探讨了传感器技术在中学物理实验教学中的应用，介绍了传感器的基本作用，以及在实验操作、实验设计过程、实验现象演示、实验规律的说明等方面所具有的优势，使个别化学习和交互式教学成为可能，实现了教学方法上的多样化、信息技术与传统实验整合的深层化；以传感器和计算机为基础实现信息技术教育与传统中学物理实验的整合，符合科技发展和国家新课程改革的要求；认为传感器技术使物理过程和概念具体化、使物理现象直观化，可以有效地促进学生深入地理解物理现象，养成独立思考、大胆假设、严谨探索的科学精神，还有利于物理教师开展探究式教学等.［21－23］

余雪妹从新课程实验教学的理念和内容出发，研究了传感器在高中物理实验教学中的应用，认为传感器不仅是信息技术与物理课程整合、教育手段现代化的一个新的模式，而且有利于培养学生的创造性思维能力，并结合案例对传感器在高中物理新课程实验中的优点、应用程序与合理应用等方面进行了论述.［24］

也有研究者从案例出发来研究两者的整合，于斌结合案例研究了力传感器在初中物理（力学）中的应用，认为传感器的应用可以使学生体会到现代科技与实验结合的重要性，提高了学生能力.［25］周勇利用力传感器从实验原理、实验过程、实验数据等环节对单摆实验进行了设计与研究，测量的周期结果非常精确.［26］

4 传感器与中学物理实验整合研究评介

4.1 传感器系统种类偏少，主要集中在PASCO和DISLab两种实验操作系统

我国的传感器应用起步较晚、种类偏少，通过自行开发和购置国外传感器技术的做法也相对落后于发达国家.我国近年来引进的PASCO实验操作系统是美国PASCO公司生产的，技术比较成熟，种类也比较多样，有着较好的国际市场.但由于价位较高，我国购买的很大部分都是为高校配置的，普通中学则相对较少，在一定程度上影响了中学物理实验与传感器整合的研究.DISLab实验操作系统是由上海市中小学数字化实验系统研发中心和山东省远大网络多媒体股份有限公司合作开发的产品，有着较好的国内市场，在国内中学占有较大的份额，价格也较为适宜，但由于其开发时间较短，技术不够完善和成熟，开发的实验种类和数量相对较少，没能完全覆盖中学物理现有的实验.

比较而言，国外在相关领域的做法则起步较早，而且技术较为成熟.国外教育领域专家一直在研究有关信息技术与物理实验教学整合的问题，主要集中对于“基于微机的实验室”（Microcomputer-Based Laboratories）、“数 据 采 集 系 统 ”（Datalogging）以及“手持”（Handheld System）实验操作系统.［19］我国将传感器应用于物理实验的做法相对较晚，加之资金以及培训等条件的限制，国内将传感器配备于中学物理实验的做法并不普遍，中学物理教师的相关研究较少；缺乏手持的较为轻小、便捷的传感器设备，也没有足够的技术厂家对之进行开发.

4.2 传感器与中学物理实验整合程度不高，缺乏全面系统的研究

整体而言，我国将传感器与中学物理实验的整合以案例研究的方式较多，而且多以验证性或测量性为主，缺乏系统地将传感器应用于初中或高中物理实验整体的研究，大多数研究者是基于实例或单独的个案开展了研究.虽然有部分研究者也开展了较为系统的研究，但一般仅侧重一部分，例如“基于PASCO平台的高中物理力学实验开发”是基于力学实验的研究，“基于PASCO实验的中学物理双语教学”则侧重于中学物理实验教学中的双语教学问题等，“基于数字化传感器开展物理实验教学的问题、方法与策略”相对比较完整地分析了数字化传感器与中学物理实验整合的问题、方法与策略问题.［27］有的则利用数据采集器开展实验设计，列举了一些实例，例如“数据采集器运用于中学物理实验的研究”是结合具体案例从验证性实验、探究性实验、应用性实验3个方面进行的实验研究，但没有系统地对中学物理实验开展全面的研究.这些相对较为系统的研究人员主要集中在高校，主要以毕业论文的形式呈现，中学物理教师的系统研究相对较少.

传感器与中学物理实验的结合是新课程提倡的重要内容和理念，体现了物理教学与科学技术的结合，也体现了物理课程内容的选择性和前沿性.然而，仅仅局限于几个典型案例与部分硕士论文的分析与研究显然是不够的，也无法为广大中学物理教师提供足够的示范和指导，也就无法达到传感器与中学物理实验整合的理想价值.

4.3 趋势分析与展望

（1）利用传感器开展实验探究教学.

物理实验探究教学是指在教师引导下，学生运用已有的物理知识和技能，通过自己设计实验方案、进行实验操作、解决物理问题和探索结论的一种教学模式.［23］物理实验探究教学可以改变传统教学过于侧重知识和技能传授的做法，让学生在经历科学探究的过程中学习科学知识和科学研究的方法，培养科学探究的精神和实践能力、创新能力等.新课程改革之后，实验探究教学已经成为实现新课程目标的重要手段和内容.然而，由于我国缺乏实验探究的传统，很多教师在开展实验探究教学时往往会遇到理论上、技术上、仪器上的困难.笔者认为，将传感器应用于物理实验探究教学是一个很好的办法和出路，将传感器技术应用于物理实验探究教学中，可以取得传统实验无法达到的良好效果.传感器具有操作简便、数据准确、品种齐全的特点，学生运用传感器进行探究教学，可以不从实验器材上考虑实验的可行性与可操作性，以集中精力思考探究的思路、方法与策略，为实验探究设计方案、采集数据、分析数据，为探究提供更多的思维空间.传感器技术不仅弥补了传统物理实验教学工具的缺陷，而且革新了物理实验仪器与方法，拓展了物理实验的内容.这也符合了实验探究的真正目的，可以更加有效地培养学生的创新思维能力.

可喜的是，我国部分研究者已经开展了利用传感器开展物理实验探究教学的相关研究，例如刘茂军，余剑敏，赖莉飞，白明侠等.可以预见，将传感器运用于物理实验探究教学的做法必将为物理实验教学以及物理新课程改革的深入发展提供重要的借鉴.

（2）传感器与中学物理实验整合的系统研究.

传感器进入中学物理实验室，已经成为信息技术与物理课程整合、实现教育手段现代化的一个新的突破口，而且利用传感器还能突出物理学科重实际、重应用的特点，对培养学生动手实践能力、学习科技的兴趣、提高综合素质以及发展创新思维有着重要的作用.国外的经验和我国的实际情况表明，我国将传感器运用于中学物理实验的做法缺乏系统性和全面性，没能从整体的视角加以研究和运用.我们应该系统地运用传感器于中学物理实验教学中，让传感器的研究不再局限于案例研究，而是具有更为广阔的研究范围，从理论研究、策略、模式、实验探究、实验设计、教学研究、实验资源开发等方面以及对初中、高中两个阶段的物理实验内容进行全面的系统研究.只有这样才能实现传感技术与物理实验整合的系统化和全面化，才能为中学物理教师提供更直接、全面的指导.

在中学物理实验教学中引入传感器技术，不仅使某些传统物理实验器材无法完成的实验成为可能，极大地提高了中学物理实验教学绩效，还能促使学生了解先进的科学技术，感悟科学的魅力，获得科学的学习方法，形成正确的思维方式.通过系统研究，可以促进传感器技术在中学物理教学中有效应用，使传感器成为中学物理实验教学中的重要而常见的操作平台.

5 结语

传感器与中学物理实验的整合研究已经成为我国中学物理实验改革和研究的重要内容与课题.然而由于我国传感器与中学物理实验整合研究起步较晚，以及经费等限制，很多中学没有条件购置相关的传感器，无法开展有效的实验研究，这在一定程度上影响了我国此项研究的进展.实践证明，传感器具有很多传统物理实验无法替代的优点，对学生接触科技新成就与发展，提升实验探究、实验设计、创新能力具有重要的研究价值.传感器与中学物理实验的整合研究必将成为我国中学物理实验研究的重头戏，成为提升学生创新能力和科学素养的突破口.

1 普通高中物理课程标准（实验稿）.http：//www.pep.com.cn/gzwl/jszx/tbjx/kb/kbdg/kcbz/.

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3 余剑敏.应用数据采集器进行物理实验的探究性学习［J］.中国教育技术装备，2007（12）：48－49.

4 赖莉飞.动量定理定量探究实验的设计［J］.物理实验，2002（8）：29－30.

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6 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.

7 刘茂军等.动量定理的实验设计与研究［J］.中学物理，2012（3）：42.

8 刘茂军等.用PASCO传感器研究单摆的实验设计［J］.中学物理，2012（3）：47－48.

9 刘茂军，刘惠莲，肖利.基于传感器的牛顿第二定律实验设计与研究［J］.中学物理教学参考，2012（11）：46－47.

10 刘茂军等.基于传感器的牛顿第二定律的实验设计与研究（续）［J］.中学物理教学参考，2014（1－2）：105－106.

11 刘茂军等.利用传感器测量重力加速度大小的实验设计［J］.物理教师，2013（9）：54－55.

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20 陈奋策.中学DIS物理创新实验研究［J］.咸宁学院学报，2011（12）：236－237.

21 汤月明，谢紫娟，张文杰.传感器技术在中学物理实验教学中的应用［J］.中国电化教育，2006（11）：53－55.

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24 余雪妹.传感器在高中物理新课程实验教学中的应用与思考［J］.物理教学探讨，2011（2）：70－73.

25 于斌.力传感器在初中物理（力学）中的应用［J］.物理教学，2011（9）：30－31.

26 周勇.利用力传感器测量单摆周期［J］.物理实验，2008（10）：23－25.

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