传感器在中学物理实验教学中的应用

胡华愉 杨晓梅

摘   要：传感器作为新技术设备被引入中学物理实验课堂，可以弥补传统实验的不足。文章以“牛顿第三定律”为例，以传统实验与传感器实验相结合的方式设计实验教学案例，提出实施传感器实验教学的具体建议。

关键词：传感器实验;物理核心素养;科学探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章編号：1003-6148（2021）6-0051-3

物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面[1]。《普通高中物理课程标准（2017年版）》在教学策略上提倡新科技，传感器作为典型新型技术被引进实验课堂，可以弥补传统实验的不足。在教学过程中如何使用新的技术设备培养学生的物理观念、科学思维等要素是一个重要的研究课题。

1    传感器引入中学物理实验教学

数字化信息系统（Digital Information System，简称DIS）是由传感器、数据采集器、计算机和配套软件等构成的数字化实验系统，为教学提供了新的策略和方法。中学物理传感器实验就是在传统实验的基础上运用各类数字化信息系统，使实验具备准确、实时、直观等特点，优化实验内容、提高教学效率。

学习进阶思想认为，学习是一个逐渐累积、演进的过程;学生对科学概念的理解存在多个中间水平，学生需要经历这些水平方能实现不断进步发展[2]，揭示了学生的思维由简到繁、由浅入深、从具体到抽象不断转变的状态。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[3]。因此，传感器实验符合实际教学的需要，并顺应学生的认知发展，从简单定性实验逐渐过渡到高度定量的数字化传感器实验，最终得出抽象的物理规律。

2    传感器实验教学案例设计与分析

人教版高中物理必修一“牛顿第三定律”一节的“做一做”栏目是对课堂实验的拓展与延伸，要求用传感器探究作用力与反作用力的关系。以该节为例，结合朗威数字化信息系统实验室（DISLab）实验指南中“研究力的相互作用”的内容，设计体现物理核心素养的实验教学，如图1所示。

2.1    教学过程

2.1.1    创设情境，深化物理观念

探究一：力的作用具有相互性和同时性

概念回顾：回顾位移、摩擦力、牛顿第二定律等知识点。

导入实验：两个学生分别坐在带有滚轮的椅子上，其中一个学生以轻推和用力推两种方式作用于另一个学生，分析椅子的运动情况。

教学要求：让学生用位移、速度和力等物理量描述椅子的运动情况，理解正是由于力的作用是相互的才使得两把椅子的运动状态都发生了改变，并且这两个力同时出现、同时消失，主动构建“作用力与反作用力”的概念。

探究二：力的相互性普遍存在

实验1：磁铁间的相互作用，如图2所示;

实验2：两个气球相互挤压，如图3所示;

实验3：两种自制的电动机，如图4所示。

教学要求：引导学生说出实验中的受力物体和施力物体，找到各种性质的相互作用力，得出“力的相互性普遍存在”的结论。

引导思考：力有大小、方向、作用点三个要素，那作用力与反作用力的三要素间存在何种关系？

设计意图：利用生活中简单定性实验引发学生思考，亲历实验以提高课堂活跃度，帮助其构建“作用力与反作用力”的概念，深化“运动与相互作用”观念。通过一系列的实验与理论分析，让学生理解力的作用具有相互性、同时性，并且普遍存在于各种性质的力之间，再根据“三要素”提问学生相互作用力的关系，过渡到具体的探究实验。此阶段通过设置引导性问题，让学生主动探索、发现知识。

2.1.2    科学探究，实训科学思维

明确实验目的，设计并制订方案，组装器材探究作用力与反作用力的关系。

方案一：提供两个弹簧测力计让学生自行设计实验开展研究。

方案二：为学生提供朗威DISLab，在仔细研读实验指南和教师演示实验的前提下，学生小组合作探究作用力与反作用力的关系。

探究过程的三个重要环节：

（1）软件获取“F-t”图像并进行处理，如图5、图6所示。

（2）分析实验图像，发展基于证据得出结论的证据意识，理解所得的牛顿第三定律本身就是一种物理模型。

（3）引导学生从硬件、软件两方面交流产生误差的原因;反思实验过程中的不足，进行实验步骤的优化;分析相互作用力与平衡力的异同;运用牛顿第三定律解释生活中常见的物理现象。

设计意图：在实验中经历发现问题、合理猜想、分析论证、合作交流并评估反思等步骤，使学生从感性判断过渡到理性推理，让他们体会科学探究的过程，实验方案的多样化将有助于思维的训练，能对物理现象保持好奇心和求知欲。

以科学为基础提出并解决问题，体现技术的实验仪器和操作，融入了数据图表的数学分析等，表明传感器实验中蕴含着部分STEM理念。该教学理念强调的教学目标和物理学科核心素养的核心要素不谋而合[4]。探索发现式的传感器实验在教学中具有显著优势。

2.2    用传感器进行实验教学的几点建议

相比于传统实验，数字化传感器实验的要求有所提高，分析案例提出完善传感器实验教学的建议。

2.2.1    落实传感器基础知识

两类实验在器材选用方面存在差异，传统实验仅有硬件，传感器实验则包含硬件和软件。相应的传感器内容到选修3-2第六章中才有涉及，教师应在学生现有水平上将该部分适当调整，让学生在实验前掌握必要的传感器基础知识，做到知其然知其所以然，这是教学中容易忽视的地方。

2.2.2    突出配套软件的使用

计算机和配套软件的出现改变了学生印象中只能运用硬件进行实验的刻板观念，帶来学习上的新体验，但同时也让他们对能否顺利完成实验产生焦虑。传感器实验对比传统实验中弹簧测力计读数并记录数据而言，虽在仪器组装后进行的硬件操作相对简单，但大部分步骤是在软件中完成，对软件的使用要求较高。应尽量做到熟悉并理解实验指南的各步骤，深入参与实验设计和数据处理等环节，掌握实验的决策权。

2.2.3    强调实验数据的采集

数字化传感器实验的数据由传感器传输至计算机软件，省略了数据收集过程，但读数环节的缺失将导致获取数据的能力不足，获取和处理信息又是科学探究的重要步骤之一。因此，教师可先安排学生掌握传统实验仪器的使用方法，具备收集数据的能力后，再进行传感器实验操作。

对于使用通用软件缺少收集数据表格的问题，优化实验操作如下：在通用软件8.0中同时插入“计算表格”与“组合图线1”，选择“计算表格控制”界面，设置采样间隔为0.2 s，对力传感器手动清零，正确拉动力传感器得到数据表格，点击“绘图”先后在“组合图线1”中用两种不同颜色绘制两力传感器拉力的散点图。若实验效果较好，两力传感器的数据接近，在散点图中表示为任意时刻的两点几乎重合。

2.2.4    重视实验图像的分析

作图可增强学生对数据的敏感程度，而软件直接绘制图像可能影响理解物理量间的关系，此时图像解读就显得至关重要。应引导学生从硬件、软件两方面分析传感器实验的误差，找到图中与之对应的地方，训练评估和反思能力。本实验确保硬件的正确操作和各项调零，可有效减小实验误差。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准 （2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]韦斯林，贾远娥.美国科学教育研究新动向及启示——以“学习进程”促进课程、教学与评价的一致性[J].课程·教材·教法，2010，30（10）：98-107.

[3]刘茂军，张勇.中学物理实验与传感器整合研究述评[J].物理教师，2015，36（11）：68-72.

[4]金朝娣.浅析STEM理念在高中物理核心素养培养中的应用——以“水火箭制作比赛”教学为例[J].物理教学，2019，41（09）：16-19.

（栏目编辑    刘   荣）