基于傳感器的物理實(shí)驗(yàn)和物理課程的一體化探究

摘"要：本文從實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约罢n程內(nèi)容三個(gè)維度出發(fā)，深入探討了如何將基于傳感器的物理實(shí)驗(yàn)與相應(yīng)的物理課程有效融合。在繼承教材原有實(shí)驗(yàn)方法精髓的基礎(chǔ)上，本研究創(chuàng)新性地引入了傳感器這一實(shí)驗(yàn)器材，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的可視化。這一轉(zhuǎn)變不僅幫助學(xué)生更加直觀地理解課程內(nèi)容，還推動(dòng)了他們自主構(gòu)建物理模型的能力，深化物理觀念的形成。

關(guān)鍵詞：傳感器；物理實(shí)驗(yàn)；課程一體化

1"問題的提出

1.1"高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)問題

物理實(shí)驗(yàn)不僅是物理學(xué)科的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的重要手段，更是物理核心素養(yǎng)的重要載體。因此，教師應(yīng)充分認(rèn)識(shí)并發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值和意義。然而，在當(dāng)前高中物理教學(xué)實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是薄弱環(huán)節(jié)，其中存在以下問題：過分依賴教材，缺乏創(chuàng)新，脫離生活和科技前沿；數(shù)學(xué)方式主要以常規(guī)理論講解為主，往往局限于紙上談兵，或利用多媒體視頻代替實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少；學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的器材過于陳舊，使得學(xué)生在課堂內(nèi)難以得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)論。

1.2"數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新課程要求

我國(guó)新一輪中學(xué)理科課程改革對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室和課程整合提出了明確的要求，特別是在利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了重大調(diào)整?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，教師要設(shè)計(jì)各種學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生利用信息技術(shù)提升物理學(xué)習(xí)能力。［1］以傳感器為核心的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供更多的交流與合作機(jī)會(huì)，從而促進(jìn)教育資源的合理分配，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也因此變得多種多樣，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.3"傳感器實(shí)驗(yàn)與物理課程融會(huì)貫通的意義

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要融入技術(shù)應(yīng)用，體現(xiàn)一定的技術(shù)性，并利用現(xiàn)代信息技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)。教師應(yīng)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，并將當(dāng)前科技融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以增強(qiáng)科學(xué)探究和解決實(shí)際問題的能力。使用傳感器來完成物理課程的實(shí)驗(yàn)，使課程內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、教師的授課方式、教師與學(xué)生的互動(dòng)方式等都發(fā)生了新的變化，這種新的變化也使得教學(xué)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)以及要素都在原有基礎(chǔ)上得到優(yōu)化與完善。［2］目前，信息技術(shù)與物理課程的結(jié)合主要是通過以下三種方式來實(shí)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，主要是借助傳感器來完成教學(xué)工作；在思維領(lǐng)域，主要是采用模擬方式來完成物理教學(xué)工作；在通信領(lǐng)域，主要是通過網(wǎng)絡(luò)通信方式將物理教學(xué)與信息技術(shù)有效融合，營(yíng)造新型教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以“自主、探究、合作”為特征的教與學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。這樣的方式不僅能夠充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)性，同時(shí)也可以有效突出學(xué)生的主體地位，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，從而體現(xiàn)物理學(xué)科的基本核心素養(yǎng)——科學(xué)思維與科學(xué)探究。［3］

基于目前普通中學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，模擬實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)課前給學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)的操作過程和注意事項(xiàng)，使學(xué)生能夠清晰地理解實(shí)驗(yàn)的原理和目的，從而減輕教師講解的負(fù)擔(dān)。然而，模擬實(shí)驗(yàn)不能代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)感受，畢竟真正的實(shí)驗(yàn)操作和模擬實(shí)驗(yàn)還是存在很大的區(qū)別。其次，真實(shí)教學(xué)課堂使用網(wǎng)絡(luò)通信方式的有效性較低，很多學(xué)校尚無法實(shí)現(xiàn)學(xué)生人手一臺(tái)電腦（或平板）上課，但大數(shù)據(jù)的快速統(tǒng)計(jì)確實(shí)對(duì)學(xué)生的學(xué)情分析有所幫助。最后，以傳感器為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方式在物理教學(xué)中的應(yīng)用，其有效性體現(xiàn)在能夠輔助實(shí)驗(yàn)過程并快速獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，減輕大量數(shù)據(jù)計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)過程中復(fù)雜圖像分析的負(fù)擔(dān)，幫助學(xué)生擺脫原有的復(fù)雜計(jì)算工作，比如數(shù)據(jù)記錄和讀取以及公式操作等。［4］學(xué)生需要深入理解實(shí)驗(yàn)，要知道計(jì)算機(jī)為什么這樣處理數(shù)據(jù)，并加強(qiáng)圖像的處理能力。因此，基于傳感器的物理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的能力要求更高，不僅要求他們理解實(shí)驗(yàn)的基本原理，還要熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件操作，對(duì)學(xué)生的要求不僅限于課本內(nèi)容，還要拓展到與課程相關(guān)的信息技術(shù)領(lǐng)域。

2"基于傳感器的物理實(shí)驗(yàn)和物理課程一體化拓展

以粵教版教材中“電容器與電容”這節(jié)內(nèi)容為例，本節(jié)內(nèi)容需要解決的物理核心內(nèi)容有：一是了解電容器的主要結(jié)構(gòu)，對(duì)市面上經(jīng)常出現(xiàn)的電容器有所認(rèn)識(shí)；二是對(duì)電容器的整個(gè)充放電流程加以觀察，從而對(duì)其科學(xué)本質(zhì)有所認(rèn)識(shí)；三是借助比值定義法完成定義電容的任務(wù)，對(duì)電容所對(duì)應(yīng)的物理意義有所認(rèn)識(shí)；四是對(duì)影響電容的主要因素加以探究，從而使得學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情得到提升。本節(jié)的主要內(nèi)容是基于對(duì)電容器充放電過程的分析，認(rèn)識(shí)到充電過程是電能轉(zhuǎn)化成電場(chǎng)能的過程，放電過程是電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程；難點(diǎn)在于如何通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用比值定義法定義電容，以及通過實(shí)驗(yàn)探究得到電容的決定式。

本文根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，安排了一個(gè)觀察電容器充放電的演示實(shí)驗(yàn)和一個(gè)探究電容大小決定因素的分組實(shí)驗(yàn)，但是課本提供的實(shí)驗(yàn)裝置存在不足之處。如圖1所示電路，在觀察電容器充放電時(shí)，學(xué)生只能觀察到充放電過程的電流變化且時(shí)間很短，學(xué)生不能直觀地觀察到電容器兩端電壓的變化過程，老師需要多次操作才能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。在探究電容大小決定因素的分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用靜電計(jì)與平行板電容器連接（見圖2）來完成實(shí)驗(yàn)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求很高。

這個(gè)裝置存在以下不足：首先，平行板電容器與周圍空氣接觸，充電后很快就會(huì)放完電，很難達(dá)到保持電容器電荷量不變的要求；其次，以學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)基礎(chǔ)難以在短時(shí)間內(nèi)理解為什么用靜電計(jì)指針夾角的大小來衡量電容器兩板間的電壓高低，并且學(xué)生往往無法區(qū)分靜電計(jì)與驗(yàn)電器的作用，因此教師需要在這一點(diǎn)上向?qū)W生拓展較多的內(nèi)容。

本部分內(nèi)容以物理核心素養(yǎng)為基本要求：首先，通過探究影響平行板電容器電容的因素實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷電容器充放電的科學(xué)探究過程，理解比值定義法和類比法；其次，讓學(xué)生體驗(yàn)控制變量法，并能對(duì)問題進(jìn)行定性分析。為了達(dá)成以上目標(biāo)，對(duì)本節(jié)課程進(jìn)行了以下拓展。

2.1"實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)與拓展

為了方便觀察電流和電壓數(shù)據(jù)的變化情況，本研究對(duì)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改裝，利用傳感器完成本次實(shí)驗(yàn)，改裝后的觀察電容器的充放電實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3所示。電路中接入二極管，以便觀察充放電過程中電流的方向，在充放電的電路中各接入一個(gè)電阻，延長(zhǎng)充放電的時(shí)間。通過電壓傳感器以及電流傳感器關(guān)聯(lián)的軟件，可以對(duì)充放電時(shí)的電流和電壓改變情況加以分析。

探究電容器充放電過程的實(shí)驗(yàn)操作如下。

第一步，選擇合適的學(xué)生電源（可以改變電源電動(dòng)勢(shì)E）。

第二步，開關(guān)接1：給電容器充電，二極管D4發(fā)亮，電流的變化如圖4所示。

第三步，開關(guān)接2：電容器放電，二極管D1發(fā)亮，說明電容器在充電過程存儲(chǔ)的是電場(chǎng)能，電壓的變化如圖5所示。

從電流變化圖可以看出充放電過程電流的方向不同，充放電開始時(shí)電流突然增大然后逐漸減小，充放電結(jié)束后電流為零；從電壓變化圖可以看出充電過程電壓逐漸增大，充電結(jié)束后電壓達(dá)到最大。

對(duì)電容大小的探究實(shí)驗(yàn)主要是以分組實(shí)驗(yàn)的方式開展的，該實(shí)驗(yàn)使用平行板電容器和電容數(shù)字顯示器（見圖6），通過改變電容器原有的板間距離以及正對(duì)面積，借助電容數(shù)字顯示器對(duì)電容改變情況加以觀察，由此可

定性確定電容與兩板間距離、相對(duì)介電常數(shù)以及極板正對(duì)面積等的關(guān)系：正對(duì)面積減小，電容C減小；兩板間距離增大，電容C減??；放入電介質(zhì)，電容C增大。

2.2"對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的拓展

學(xué)生通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)明確了充放電過程中電流的方向以及電壓與電流的變化情況。通過觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析原理是物理學(xué)科的基本素養(yǎng)，所以結(jié)合理論分析圖7和圖8，讓學(xué)生分析并理解電容器在充放電過程中是如何存儲(chǔ)電能和釋放電能的。充電過程是電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，放電過程是電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。

2.3"對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡耐卣?/p>

本課程內(nèi)容的難點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)得出電容C＝Q/U，學(xué)會(huì)用比值定義法定義一個(gè)新的物理量。

首先提出問題：電容器所容納的電荷量Q的多少與什么因素有關(guān)？

猜想：與電容器兩端的電壓U有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：同一個(gè)電容器在充電完成后電荷量Q與電壓U的關(guān)系。那么，如何得到電容器所帶的電荷量Q以及其兩端電壓U的數(shù)據(jù)呢？

基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》，粵教版新教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法是：根據(jù)電荷量Q＝It，利用電流傳感器得到實(shí)驗(yàn)過程的I"-t圖像并用軟件自帶的積分函數(shù)得到充電完成后的電荷量Q；利用電壓傳感器得到實(shí)驗(yàn)過程的U"-t圖像，則圖像對(duì)應(yīng)的電壓的最大值即為充電完成后的電壓U。

改變電源電動(dòng)勢(shì)，再重復(fù)五次實(shí)驗(yàn)，共得到六組數(shù)據(jù)（見表1），作出電容器C1的電荷量Q隨電壓U變化的圖像（見圖9）。

更換電容器，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)操作，得到六組數(shù)據(jù)（見表2），作出電容器C2的電荷量Q隨電壓U變化的圖像（見圖10）。

探究電容器電荷量Q與電壓U關(guān)系的實(shí)驗(yàn)還可以采用以下方法（見圖11）完成。首先，讓開關(guān)接1對(duì)電容器C1充電，充電完成后斷開電源；接著，讓兩個(gè)完全相同的電容器C2與電容器C1并聯(lián)，開關(guān)接2時(shí)電容器C1就會(huì)將其一半的電荷量轉(zhuǎn)移給電容器C2；然后，通過觀察電容器兩端的電壓變化，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電容器C1的電荷量減半時(shí)其兩端電壓也相應(yīng)減半；最后，閉合開關(guān)，釋放電容器C2的電荷量，斷開開關(guān)后，再次讓開關(guān)接2時(shí)，使電容器C1的電荷量再次減半，此時(shí)其兩端電壓也會(huì)再次減半。重復(fù)以上操作并記錄數(shù)據(jù)（見表3）。

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論加以總結(jié)：電容器的電荷量Q與電壓U之間的關(guān)系是正比關(guān)系，具體比值為常數(shù)，當(dāng)電容器不同時(shí)其比值也存在差異，由此表示這個(gè)比值可以充分體現(xiàn)電容器的特性，在物理學(xué)中也將該物理量稱作電容，符號(hào)為C。

3"結(jié)語(yǔ)

教學(xué)工作中不可缺少的一項(xiàng)內(nèi)容是教學(xué)手段的分析。以傳感器為核心的物理實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)過程中包含了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法（然而，這些方法中所涵蓋的教學(xué)理念是否具有先進(jìn)性還未可知）。確保課程與技術(shù)有效結(jié)合，其本質(zhì)便是教育理念與技術(shù)手段的結(jié)合。［5］因此，教師在組織學(xué)生開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)，不應(yīng)只將關(guān)注點(diǎn)放到教學(xué)方式的先進(jìn)性上，也需要對(duì)教學(xué)理念的變化給予重視，并且對(duì)教學(xué)過程加以關(guān)注。以傳感器為基礎(chǔ)的物理實(shí)驗(yàn)的拓展體現(xiàn)了先進(jìn)的教學(xué)思想，其合理應(yīng)用本身就要求對(duì)傳統(tǒng)教育理念和教育模式進(jìn)行同步變革，以尊重人的能動(dòng)性、原創(chuàng)性、反思性、協(xié)作性的教育理念和教育新模式來替代。

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