中學(xué)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(xué)物理學(xué)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(fā)展與傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外物理教育領(lǐng)域都開始重視傳感器在物理實驗（教學(xué)）中的應(yīng)用，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科技意識、動手能力和創(chuàng)新能力.美國《國家科學(xué)教育標準》中強調(diào)要通過在科學(xué)課堂中充分利用計算機等技術(shù)和工具，為教師和學(xué)生開展科學(xué)探究、更好地理解科學(xué)本質(zhì)提供機會.我國在新課程改革中也非常強調(diào)信息技術(shù)（主要指傳感器、計算機等）與物理實驗的結(jié)合，強調(diào)物理學(xué)科與科學(xué)技術(shù)的結(jié)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(xué)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(guān)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(yīng)用，體會傳感器的應(yīng)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(nèi)容標準中要求學(xué)生“知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的技術(shù)意義；通過實驗知道傳感器的工作原理；列舉傳感器在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)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(yīng)用的教學(xué)，在中學(xué)物理教材中也提倡運用傳感器來開展中學(xué)物理實驗.

由此可見，將傳感器融入到中學(xué)物理實驗、物理教學(xué)的做法已經(jīng)成為一種官方意識與行為，已經(jīng)成為引領(lǐng)物理教育發(fā)展的新趨勢.尤其利用傳感器來完成中學(xué)物理實驗已經(jīng)成為物理教師改進實驗手段、提高實驗效率、體會科技發(fā)展、開展實驗探究、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要手段和方式.國內(nèi)外的很多研究人員已經(jīng)就此開展了一定的研究工作，筆者結(jié)合自己的研究，對近年來傳感器與中學(xué)物理實驗整合研究的情況進行了系統(tǒng)整理和歸納，以期對中學(xué)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(xué)物理實驗整合研究的基本情況

隨著科技的不斷發(fā)展與傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國外很多國家都非常重視傳感器在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科技意識、動手能力和創(chuàng)新能力.尤其自1980年代之后，傳感器技術(shù)已被許多國家運用到物理教學(xué)中，基于傳感器的物理實驗教學(xué)在美國、英國、日本、韓國等國家和地區(qū)已經(jīng)實踐多年.國外教育領(lǐng)域?qū)＜乙恢痹谘芯炕趥鞲屑夹g(shù)的物理實驗教學(xué)問題，美國《國家科學(xué)教育標準》中強調(diào)：“可通過在科學(xué)課堂中充分利用計算機等技術(shù)為工具，為教師與學(xué)生開展科學(xué)探究與更好地理解科學(xué)的本質(zhì)提供給機會”.美國的中學(xué)物理實驗教學(xué)中，數(shù)據(jù)信息采集工具（主要是傳感器）的應(yīng)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(yīng)等的研究等.新加坡教育司于2003年起陸續(xù)撥出上百萬美金專門用于數(shù)據(jù)信息采集器材的購置和技術(shù)培訓(xùn).此外，文萊、馬來西亞和我國臺灣地區(qū)也先后投入了大量的資金，進行相關(guān)的實驗室建設(shè)和基于傳感器的物理實驗教學(xué)研究.國外應(yīng)用比較廣泛的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括：美國PASCO公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，英國Pico Technology公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，澳大利亞Dava Harverst公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，美國Fourier System公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等.

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

3 我國傳感器與中學(xué)物理實驗整合研究的基本情況

國內(nèi)將傳感器與中學(xué)物理實驗整合研究主要包括3個方面內(nèi)容：PASCO傳感器實驗操作系統(tǒng)、DISLab傳感器實驗操作系統(tǒng)、傳統(tǒng)傳感器與中學(xué)物理實驗的整合.

3.1 運用PASCO實驗操作系統(tǒng)開展的有關(guān)研究

一些研究人員開展了物理“實驗探究”的教學(xué)研究，［2－4］探討了利用PASCO傳感器開展中學(xué)物理“實驗探究”教學(xué)的理論意義與價值：開展“實驗探究”教學(xué)有利于學(xué)生實驗設(shè)計與探究、實驗創(chuàng)新等能力的提高，并論述了“實驗探究”教學(xué)的基本程序和實際做法.認為利用數(shù)據(jù)采集器（即傳感器）具有培養(yǎng)學(xué)生精細敏銳的感知和觀察能力、拓寬學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的空間等優(yōu)勢，并且提出了數(shù)據(jù)采集器與信息技術(shù)整合的教學(xué)思路.還有研究者研究了利用PASCO實驗平臺對中學(xué)物理實驗進行開發(fā)與拓展，對傳統(tǒng)實驗與數(shù)字傳感器進行了優(yōu)化整合，提出了PASCO實驗平臺的拓展訓(xùn)練模式、主要任務(wù)及意義特征，認為PASCO實驗平臺與計算機、電控等技術(shù)有著很高程度的交叉，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、拓寬知識和學(xué)生視野、提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)造能力等具有特殊的優(yōu)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(fā)將中學(xué)物理實驗與PASCO結(jié)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(tǒng)實驗更為精確，而且操作簡便，數(shù)據(jù)處理方便.也有的研究人員研究了傳感器與中學(xué)物理實驗整合的策略，提出了開展探究教學(xué)、開展系統(tǒng)研究、開展實驗設(shè)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(xué)物理實驗的整合.［14］

3.2 運用DISLab實驗操作系統(tǒng)開展的有關(guān)研究

部分研究人員等探討了DISLab實驗操作系統(tǒng)與中學(xué)物理實驗整合的價值，提出了基于DISLab的物理實驗探究教學(xué)方法和基本程序，認為利用傳感器開展實驗探究有利于學(xué)生理解知識的獲取過程，突出學(xué)生的主體地位.研究者結(jié)合案例研究認為DISLab實驗操作系統(tǒng)與物理實驗的整合有利于提高學(xué)生的創(chuàng)造能力，有利于提高實驗教學(xué)質(zhì)量，為實驗創(chuàng)新與拓展提供多角度探究平臺.同時，研究者還認為DISLab系統(tǒng)必須與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ角‘斦?，才能最大限度地發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)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(tǒng)的高中物理實驗教學(xué)模式：促進認知模式、促進學(xué)習(xí)模式、基于DISLab的探究教學(xué)模式，并提出了基于DISLab的高中物理實驗教學(xué)評價模型，開發(fā)了一套web評價軟件系統(tǒng).［19］陳奮策等探討了利用DISLab開展中學(xué)物理實驗的利弊，并用實例說明基于DISLab的創(chuàng)新實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和STS教育理念，以及提高物理實驗質(zhì)量，為實驗創(chuàng)新與拓展提供多角度探究平臺.［20］

丁玲則同時探討了PASCO數(shù)字化傳感器和朗威的DISLab數(shù)字化實驗系統(tǒng)，并將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗進行了比較，在調(diào)查問卷的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗整合進行了研究，例舉了力學(xué)、電學(xué)中的實例，認為將傳統(tǒng)實驗與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來可以提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)造能力，也可以為教師實施新課程提供有力的參考和指導(dǎo).［6］

3.3 運用傳統(tǒng)傳感器開展物理實驗的有關(guān)研究

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

余雪妹從新課程實驗教學(xué)的理念和內(nèi)容出發(fā)，研究了傳感器在高中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，認為傳感器不僅是信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個新的模式，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，并結(jié)合案例對傳感器在高中物理新課程實驗中的優(yōu)點、應(yīng)用程序與合理應(yīng)用等方面進行了論述.［24］

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

4 傳感器與中學(xué)物理實驗整合研究評介

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

我國的傳感器應(yīng)用起步較晚、種類偏少，通過自行開發(fā)和購置國外傳感器技術(shù)的做法也相對落后于發(fā)達國家.我國近年來引進的PASCO實驗操作系統(tǒng)是美國PASCO公司生產(chǎn)的，技術(shù)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(xué)則相對較少，在一定程度上影響了中學(xué)物理實驗與傳感器整合的研究.DISLab實驗操作系統(tǒng)是由上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心和山東省遠大網(wǎng)絡(luò)多媒體股份有限公司合作開發(fā)的產(chǎn)品，有著較好的國內(nèi)市場，在國內(nèi)中學(xué)占有較大的份額，價格也較為適宜，但由于其開發(fā)時間較短，技術(shù)不夠完善和成熟，開發(fā)的實驗種類和數(shù)量相對較少，沒能完全覆蓋中學(xué)物理現(xiàn)有的實驗.

比較而言，國外在相關(guān)領(lǐng)域的做法則起步較早，而且技術(shù)較為成熟.國外教育領(lǐng)域?qū)＜乙恢痹谘芯坑嘘P(guān)信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)整合的問題，主要集中對于“基于微機的實驗室”（Microcomputer-Based Laboratories）、“數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) ”（Datalogging）以及“手持”（Handheld System）實驗操作系統(tǒng).［19］我國將傳感器應(yīng)用于物理實驗的做法相對較晚，加之資金以及培訓(xùn)等條件的限制，國內(nèi)將傳感器配備于中學(xué)物理實驗的做法并不普遍，中學(xué)物理教師的相關(guān)研究較少；缺乏手持的較為輕小、便捷的傳感器設(shè)備，也沒有足夠的技術(shù)廠家對之進行開發(fā).

4.2 傳感器與中學(xué)物理實驗整合程度不高，缺乏全面系統(tǒng)的研究

整體而言，我國將傳感器與中學(xué)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(tǒng)地將傳感器應(yīng)用于初中或高中物理實驗整體的研究，大多數(shù)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(tǒng)的研究，但一般僅側(cè)重一部分，例如“基于PASCO平臺的高中物理力學(xué)實驗開發(fā)”是基于力學(xué)實驗的研究，“基于PASCO實驗的中學(xué)物理雙語教學(xué)”則側(cè)重于中學(xué)物理實驗教學(xué)中的雙語教學(xué)問題等，“基于數(shù)字化傳感器開展物理實驗教學(xué)的問題、方法與策略”相對比較完整地分析了數(shù)字化傳感器與中學(xué)物理實驗整合的問題、方法與策略問題.［27］有的則利用數(shù)據(jù)采集器開展實驗設(shè)計，列舉了一些實例，例如“數(shù)據(jù)采集器運用于中學(xué)物理實驗的研究”是結(jié)合具體案例從驗證性實驗、探究性實驗、應(yīng)用性實驗3個方面進行的實驗研究，但沒有系統(tǒng)地對中學(xué)物理實驗開展全面的研究.這些相對較為系統(tǒng)的研究人員主要集中在高校，主要以畢業(yè)論文的形式呈現(xiàn)，中學(xué)物理教師的系統(tǒng)研究相對較少.

傳感器與中學(xué)物理實驗的結(jié)合是新課程提倡的重要內(nèi)容和理念，體現(xiàn)了物理教學(xué)與科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，也體現(xiàn)了物理課程內(nèi)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(xué)物理教師提供足夠的示范和指導(dǎo)，也就無法達到傳感器與中學(xué)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(xué).

物理實驗探究教學(xué)是指在教師引導(dǎo)下，學(xué)生運用已有的物理知識和技能，通過自己設(shè)計實驗方案、進行實驗操作、解決物理問題和探索結(jié)論的一種教學(xué)模式.［23］物理實驗探究教學(xué)可以改變傳統(tǒng)教學(xué)過于側(cè)重知識和技能傳授的做法，讓學(xué)生在經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)知識和科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)科學(xué)探究的精神和實踐能力、創(chuàng)新能力等.新課程改革之后，實驗探究教學(xué)已經(jīng)成為實現(xiàn)新課程目標的重要手段和內(nèi)容.然而，由于我國缺乏實驗探究的傳統(tǒng)，很多教師在開展實驗探究教學(xué)時往往會遇到理論上、技術(shù)上、儀器上的困難.筆者認為，將傳感器應(yīng)用于物理實驗探究教學(xué)是一個很好的辦法和出路，將傳感器技術(shù)應(yīng)用于物理實驗探究教學(xué)中，可以取得傳統(tǒng)實驗無法達到的良好效果.傳感器具有操作簡便、數(shù)據(jù)準確、品種齊全的特點，學(xué)生運用傳感器進行探究教學(xué)，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(shè)計方案、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，為探究提供更多的思維空間.傳感器技術(shù)不僅彌補了傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)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(nèi)容.這也符合了實驗探究的真正目的，可以更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.

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

（2）傳感器與中學(xué)物理實驗整合的系統(tǒng)研究.

傳感器進入中學(xué)物理實驗室，已經(jīng)成為信息技術(shù)與物理課程整合、實現(xiàn)教育手段現(xiàn)代化的一個新的突破口，而且利用傳感器還能突出物理學(xué)科重實際、重應(yīng)用的特點，對培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力、學(xué)習(xí)科技的興趣、提高綜合素質(zhì)以及發(fā)展創(chuàng)新思維有著重要的作用.國外的經(jīng)驗和我國的實際情況表明，我國將傳感器運用于中學(xué)物理實驗的做法缺乏系統(tǒng)性和全面性，沒能從整體的視角加以研究和運用.我們應(yīng)該系統(tǒng)地運用傳感器于中學(xué)物理實驗教學(xué)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(shè)計、教學(xué)研究、實驗資源開發(fā)等方面以及對初中、高中兩個階段的物理實驗內(nèi)容進行全面的系統(tǒng)研究.只有這樣才能實現(xiàn)傳感技術(shù)與物理實驗整合的系統(tǒng)化和全面化，才能為中學(xué)物理教師提供更直接、全面的指導(dǎo).

在中學(xué)物理實驗教學(xué)中引入傳感器技術(shù)，不僅使某些傳統(tǒng)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(xué)物理實驗教學(xué)績效，還能促使學(xué)生了解先進的科學(xué)技術(shù)，感悟科學(xué)的魅力，獲得科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，形成正確的思維方式.通過系統(tǒng)研究，可以促進傳感器技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中有效應(yīng)用，使傳感器成為中學(xué)物理實驗教學(xué)中的重要而常見的操作平臺.

5 結(jié)語

傳感器與中學(xué)物理實驗的整合研究已經(jīng)成為我國中學(xué)物理實驗改革和研究的重要內(nèi)容與課題.然而由于我國傳感器與中學(xué)物理實驗整合研究起步較晚，以及經(jīng)費等限制，很多中學(xué)沒有條件購置相關(guān)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(tǒng)物理實驗無法替代的優(yōu)點，對學(xué)生接觸科技新成就與發(fā)展，提升實驗探究、實驗設(shè)計、創(chuàng)新能力具有重要的研究價值.傳感器與中學(xué)物理實驗的整合研究必將成為我國中學(xué)物理實驗研究的重頭戲，成為提升學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)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/.

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