基于传感器的初中物理数字化实验实施策略.pdf

第33卷信息技术与学科融合中小学实验与装备2 0 2 3年第4期61基于传感器的初中物理数字化实验实施策略湖北省松滋市南海镇南海初级中学（4342 0 1)湖北省松滋市电化教育技术装备中心（4342 0 0)摘要：基于传感器的数字化实验是信息技术在实验教学中的一种应用，在初中物理实验教学中开展数字化实验是十分必要的，是教育信息化发展、学生核心素养养成、社会生活和实验教学的需要。在传统实验教学的基础上，合理有效运用传感器辅助教学，可以提高实验的精度、创新实验的设计、提高实验的可视度、增强实验的可操作性和数据的可分析性。关键词：传感器；数字化实验；实施策略董清华赵小艳义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版）指出：教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融合物理教学，创新教学方式，提升教学效率。同时,应鼓励学生将信息技术运用到物理学习中，帮助学生适应数字时代的要求，提升学生运用信息技术的能力。教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见【教基（2 0 19）16 号】也指出“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，提高实验教学质量和效果”。现阶段，初中理化生实验教学还局限在常规实验的落实，通过开展学生实验、演示实验、课外实验、小实验等，推行启发式、探究式、参与式、合作式等实验教学方式。从常规实验教学情况来看，现有实验教学模式存在实验数据不精准、实验效果不明显、实验过程繁琐、实验探究能力受限制等问题。为改进现有实验教学模式，达到提高教学质量、提升教学效果、培养学生的兴趣和能力及开拓学生的思维目的，将适合实验教学信息化要求的数字化实验引进初中物理实验教学课堂显得十分迫切。+1初中物理教学中引入数字化实验的必要性1.1初中物理教学中引入数字化实验是信息技术发展的必然趋势数字化实验是现代信息技术在理化生实验教学中的一种应用,随着信息技术在教学中应用越来越深人，多媒体课件、实时联网投屏、虚拟实验、AI技术等正在改变我们的课堂，影响课程的开发、教学方法选择、评价方式的改革、学生学习模式的创新。而初中物理数字化实验的开展可以提高物理实验的可视化程度，提高实验数据精准度，缩短实验时间，提高数据可分析性，有利于提高创新性实验、拓展性实验、探究性实验的成功率等。1.2初中物理教学中引入数字化实验是学生核心素养养成的迫切要求在义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版）中，明确指出要“发挥实验的育人功能，促进学生核心素养的养成”。经过梳理,初中物理课程标准中实+3张燕春“生物技术实践”专题复习课的主线式情境教参考文献1吴志强，张冬梅,唐棣.VR和传统教育结合的优势述评和趋势预测J.教育与装备研究，2 0 18,34（0 4）：21-23.2吴志强.XR技术在生物学教学中的应用研究 J.教育与装备研究,2 0 2 3,39(0 6)：49-5 2.学设计 J.生物学教学,2 0 2 2,47(0 1)：41-44.【4 段海望.虚拟现实技术在地球物理学专业课程教学中的应用前景展望：访长安大学地质工程与测绘学院刘致水博士 J.中国科技产业,2 0 19,36 6(12）：7 3-7 4.收稿日期:2 0 2 3-0 5-1662验探究主题下2 1个三级主题教学内容中，有15 个实验可以借助传感器、手机软件、数显电子仪器完成。在实验中使用传感器，可以帮助学生直观、定量地对实验数据进行分析。学生通过信息技术在初中物理实验中的应用,体会到科技进步带来的便利,经历较为完整的科学探究过程，树立严谨认真、实事求是的科学态度与责任。1.3初中物理教学中引入数字化实验是社会生活的客观需求在实际生活中，我们经常用到涉及到传感器的仪器、工具和软件。比如，额温枪用到了温度传感器，手机中的计步软件用到了位移传感器，电子示波器实质就是声音传感器的应用。如果在实际教学中引人数字化实验，能够让学生真正体会到物理与科技的关系：科技进步为物理学发展带来方便，而物理学的发展能够促进科技的发展。1.4初中物理教学中引入数字化实验是实验教学的实际需要常规实验教学中，有一些实验因为实验器材、实验条件等限制，不能有效发挥其作用。采用数字传感技术，可以实时连续采集数据，让学生通过对准确的数据进行分析，从而由定性分析变成定量分析；可以将一些不可见的现象变为可见可分析的数测量性实验现有器材条件现有实验器材不易测朱准确精确测量实验改进中小学实验与装备2 0 2 3年第4期据,从而帮助学生认识物理现象,建立物理观念；可以对暂态现象进行捕捉和处理,帮助学生对物理现象或者物理过程有正确完整的认识；可以基于学生实际学习的需求，通过开展探究性和创新性实验，帮助学生深度学习。同时,数字传感技术在物理实验中应用，可以提高教师运用信息技术手段的能力，并开发出更多创新性实验资源，2初中物理数字化实验实施策略物理是以实验为基础的学科。初中阶段，物理学科的实验包括学生实验和演示实验两大类。其中学生实验包括学生必做实验和课外小实验、小制作，根据2 0 2 2 年版物理课程标准要求，学生必做实验包括9 个测量类必做实验（6 个直接测量实验和3个间接测量实验）、12 个探究类必做实验。教师演示实验包括情境创设式实验、验证性实验和探究性实验三类。现有实验器材基本能满足学生必做实验和教师验证性实验，情境创设式实验一般为教师借助生活中常见器材制作，探究性实验因为实验器材、实验条件限制，实验开出率和成功率不是太高。结合数字化实验的特点，根据初中物理实验开展实际情况，我们可以采取图1所示的方式在初中物理实验中科学有效进行数字化实验。常规实验1学生必做实验教师演示实验探究性实验探究性实验验证性实验情境创设性实验真实数据自制实验器材开发数字资源创新实验设计促进深度学习不易误差太不做易探究定量分析第33卷可见度不高数据可见拓展实验探究数字化实验图1初中物理实验中开展数字化实验的模式实验装置精度不高、示数不准、测量稳定程度不好3初中物理数字化实验实施建议等困难。例如“利用温度计测量液体温度”实验，如何充分发挥数字化实验的作用，可以从以下教师告知学生温度计的玻璃泡不能碰到容器底和方面去探索和实施。侧壁，也不能取出来读数，在学生实验时如果引导3.1借助数字化，提高实验的精度学生试着验证玻璃泡接触容器侧壁、底部以及离开基于传感器的数字化实验，利用声、光、热、电、被测液体时温度有变化，实际效果并不是很明显，磁等传感器，可以准确测量相关物理量，克服传统特别是温度计玻璃泡接触到容器底部、侧壁与玻璃高，有时仅仅前排的学生可以看见。我们在实际教学中，可以利用摄像头连接电脑将实时图像通过显第33卷泡完全浸没于被测液体中的示数基本没有差距。这是因为常见液体温度计受制作条件、测温介质、与测温介质接触时间长短的影响，测量的温度会有一定的误差。如果我们采用温度传感器来完成这个实验，如图2，可以看到数据有明显差距。显新未命名实-LabStudio新未色名实验-LabStudio实采集设置（Q)给型及分析(A)在线资源当前组时间温度()(氏度）0.082.720.10.2030.460.60.50.70.80.9101112133.2利用数字化，创新实验的设计初中物理部分演示实验受实验条件的限制，效果不太明显,这对教师的有效引导和学生的自主探究是不利的。而传感器可以通过实时监测物理量的变化，将实验数据转化为数字信号。实验者使用专业软件对数据进行分析和处理后，可以让学生更加直观地感受和理解物理实验过程和物理规律。例如“探究影响滑动摩擦力的因素”实验，学生用弹簧测力计匀速拉动木块在木板、毛巾、棉布表面运动，利用二力平衡知识将滑动摩擦力“转换”为拉力，间接测出摩擦力。实验中由于无法控制木块在水平面做匀速直线运动，加上此实验经历了静止（静摩擦力）、加速（突变）、匀速（滑动摩擦力)3个过程,涉及到3个力,数据读取不方便且不准确。如果用测力计拉着木块，保持木块不动拉动木板，根据二力平衡知识，只需要让木块保持静止状态，木块不需要做匀速运动。为了让学生合理选择实验方案，我们可以利用力传感器做下面的对比实验（如图3、图4所示），用实际操作加上真实数据说服学生。中小学实验与装备2 0 2 3年第4期新未命名实验LabStuclio设置（0)地围及分析(A)表格在线货源当前组时间温度()(摄氏度）818.082.78282.78382.88482.88582.982.983.083.083.01.083.01.183.01.283.1中间图2 用温度传感器测量水的温度630.12设量(O)地面及分析(A)当前姐时间温度(5)(摄氏度）84.9738.184.98.284.98.385.08.485.08687888990919293图4木块不动拉木板实验操作及拉力大小7278.9747375747675777.6787.78.68.58.78.88.99.09.19.2底部3.3选择数字化，提高实验可视度78.979.079,179.179.185.085.185.185.185.185.185.185.1部分初中物理实验，特别是演示实验可视度不7.879.2807.98.08.18.28.3848579.379.79.48.479.6侧壁示屏展示出来，也可以将演示实验变成学生实验，让全体学生动手实验，从而达到实验教学的目的。有了数字化实验后，教师就增加了一个提高可视度的途径：利用传感器将不可见的（如磁场、光强）变成可见的数据，将可见度不高的变成全体学生可见。例如“磁现象”中磁体磁极的磁性最强，教师通常做法是将大头针或者铁粉均匀撒在磁体（放在玻璃板上)的周围,轻敲玻璃板后让学生观察大头针或者铁粉的分布情况。这种演示方法只能大致看到磁极两端磁性较强，而磁性有多强不清楚，对于后面教学中磁场和磁感线概念的建立帮助不大。如果教师选择磁感应强度传感器，我们可以清楚看到磁体周围磁感应强度分布情况，结合数据和图像可以有效建立磁场模型，有助于培养学生的科学思维（如图5、图6 所示）。2.05图5条形磁体磁场强度测量及数据1.07力-0.17牛物图3匀速拉动木块实验操作及拉力的大小从图3中的数据及图像中我们发现拉力的大小一直在波动，而图4中拉力较为稳定，因此选择木块不动拉木板的实验要合理些且易于操作。图6 U形磁体磁场强度测量及数据3.41使用数字化，增强实验可操作性有些初中物理实验存在操作不方便、测量步骤繁等问题，导致实验不可控因素增多，实验数据误差较大。为节约实验时间，方便实验操作，提高实验效果，增强实验数据说服力，教师可以采用数64字化实验，利用传感器实时、瞬时静态、准确、可控的优势，通过合理选择实验方案，达到培养学生科学思维和提高学生科学探究能力的目的。在“阿基米德原理”实验中，学生需要利用测力计测量4个物理量：物体的重力、小桶的重力、物体浸在液体中的拉力和小桶与排开液体的总重。期间由于水受到表面张力的作用，导致排出的水连续性不强，需要学生手提着测力计保持稳定，才能确保达到实验效果。如果我们使用2 个力传感器，1个用线固定在铁架台上，1个用手提着（如图7）,并将2 个力传感器调零，然后让物体逐渐浸入水中，专业软件上就会显示2 个力的图像，分析2 个力的离散性，教师就可以轻松引导学生找到物体所受的浮力和排开水的重力关系，从而得出阿基米德定律。0.86图7 阿基米德原理实验3.5强化数字化，提高数据可分析性初中物理探究性实验，得出的结论大多为定性结论。这是因为实验测量数据不够精确，可分析性不强。所以在探究性实验中,教师往往要借助转换法来帮助学生设计实验方案，将数据变成现象，比如凹陷程度、灯泡亮度、运动距离等。这种实验的设计思路虽然契合初中学生的心智发展规律，却不利于学生核心素养的培养，特别是科学思维的培养。“伏安法”测电阻实验要求学生分别测出定值电阻的阻值和灯泡灯丝的电阻,并从中找到一些规律。学生通过调节滑动变阻器，观察灯泡亮度，分别记下电流表和电压表的数据，再计算出相应电阻值。由于要利用欧姆定律计算每次实验相应的电阻值，这个实验学生通常做3次，收集的实验数据少,处理难度大。用这3组数据进行分析得出相应结论的做法还是值得商榷。如果使用电压、电流传感器来完成这个实验，学生只需要连续移动滑动变阻器，就可以采集到很多组电流、电压值及相关图像,再将这些数据导入Excel表格，加入一列命名为电阻并设置好相应公式，就可以导出定值电阻和灯泡灯丝的电阻值,数据多、准,利于学生分析得出结论（如图8、图9 所示）。4初中物理数字化实验实施需要解决的问题结合我们开展数字化实验的经验，目前在初中阶段开展数字化实验还存在一些困难。中小学实验与装备2 0 2 3年第4期077图8 测量定值电阻阻值实验装置、采集数据及通过电子表格处理后的数据（部分）电压电流强度电阻（安墙）（欧姆）2.620.232.420.222.280.222.120.212.10.212.090.211.710.191.530.181.360.171.190.161.120.161.040.150.150.870.14加0.85-1.210.78图9 测量灯泡灯丝阻值实验装置、采集数据及通过电子表格处理后的数据（部分）4.1孝教师使用信息技术能力有待提高由于传感器技术还不够成熟，在教学上应用还不普遍,加上操作不太方便,所以教师在课堂中使用得较少。相对于教师经常使用的传统实验器材，教师需要熟练掌握专业软件的使用方法和技巧，能根据教学需要选择合理的实验方案，并对采集到的数据进行处理，才能够指导学生进行相关分析和评估。因此相应的教科研机构和组织应该积极开展数字化实验的课题研究，并对教师进行培训，提高其使用数字化技术的能力和水平。4.2数字化实验资源开发程度有待提高初中阶段数字化实验资源开发还存在以下问题：传感器种类不全。比如缺乏液体压强传感器、功率传感器。专业软件不成熟。目前学校装备的数字化实验专业软件使用起来还不够方便，特别是交互性不强，和教学实际契合度不高。传感器设计不合理。比如位移传感器和采集器采用的是数据线硬连接，使用起来需要教师手持采集器跟着传感器运动，很不方便。初中阶段引入数字化实验应该是大有神益的，但是开展数字化实验的同时不应排斥传统物理实验。在实际教学和研究中强化数字化实验，发挥信息技术的优势，开发相应教学资源，创新实验设计，指导学生深度学习,培养学生核心素养，应该成为我们开展数字化实验的目标。收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 0第33卷电流强度电压电阻（安培）（伏特）（欧姆）0.070.8211.714290.070.810.070.7510.714290.070.7811.142860.080.820.070.8111.571430.080.840.080.840.090.9810.890.090.990.11.040.11.070.11.090.140.1311.5714310.2510.510.51110.410.710.911.391110.3610.1109.958.587.446.936.676.216.076