高中物理教学中传感器实验六步法

一、数字化实验系统的优势与不足

数字化实验系统（DIS）指由“传感器+数据采集器+软件包+计算机”构成的实验系统。实验时，传感器可获取实验数据，并传输给数据采集器;采集器对数据进行转换后传输给计算机;实验数据经过软件处理后以数值、曲线、图表等不同的方式呈现，教师和学生可以根据教学需要对数据进行分析与处理^[1]。

（一）数字化实验系统的优势

数字化实验系统的优势表现在实验过程“可视化”、实验设计“重点化”、数据采集与处理“智能化”、教学过程“现代化”。

1.实验过程“可视化”

实验过程包括时间和空间两个维度。实验者通过数字化实验系统可以实现这两个维度的可视性。例如，对于电容器的充、放电过程，碰撞过程中的冲力变化等瞬时过程，实验者利用数字化实验系统可以实现瞬间变化的“可视化”。

2.实验设计“重点化”

数字化实验系统依靠传感器采集数据，借助计算机软件记录和处理数据，可使得学生免去大量运算过程，避免手工作图的烦琐和误差。学生节省出来的时间和精力可以更多地用于实验设计，用于合作探究，用于数据分析，用于验证与修改假设，而这些正是理解物理概念、掌握客观规律所必要的。

3.数据采集“智能化”

数字化实验系统中的数据采集器可以同时接入多个相同的或不同的传感器，同时采集多种相同或不同种类的物理量。例如，在弹簧振子的振动实验中，教师开展数字化实验可以同时采集弹簧振子运动过程中速度、位移、加速度、回复力数据，并通过图像展示在学生面前，从而帮助学生获得直接的观察经验。

4.教学过程“现代化”

开展数字化实验时，教师可以直接调用设计好的实验模板，也可以根据需要设计个性化的实验模板。在数据处理过程中，教师可以进行数据拟合、积分运算，帮助学生找出数据之间的关系，认识物理规律。实验结束后，教师可以创建电子版报告，方便学生学习和完善。

5.实现与传统实验的整合

无论实验设计，还是器材的安装，DIS实验都是在传统实验的基础上进行的。尽管数字化实验中用传感器替代了部分测量仪器，但实验教学体系并没有“断层”。将传统实验的设备合理利用在DIS实验中，可提高实验的精度和可信度。

（二）DIS实验中遇到的问题及对策

数字实验系统相比传统的实验器材有很大的优势，但在软硬件方面也存在一些不足和问题，给实验操作带来不便，甚至是困扰。

1.软件兼容问题及对策

数字化实验系统由硬件和配套软件构成，软件与产品出厂时市面上的电脑操作系统相匹配，但随着电脑系统逐渐更新，软件也要更新。学校要与生产厂家保持联系，索要系统更新后对应的软件包，但更新后的软件往往会与新系统不兼容。

应对策略：在实验室或特定电脑中安装兼容性最好的操作系统，专做DIS实验。

2.数据读取问题及对策

在传统的实验操作中，无论用什么仪器读数，精度都有一定的规则，因此只要按照规则去取小数位就好。数字化实验系统是借助传感器采集数据，所以在测量的位数取舍上没了约束，数据读取的误差也无从分析。

应对策略：有选择性地使用DIS实验，与传统实验器材配合使用。练习读取数据时用传统器材，在进行探究实验和演示实验时用DIS实验。

3.数据导出问题及对策

数字化实验系统是在特定软件的支持下运行的，用其采集数据和描绘图像十分方便。然而，这些数据和图像只能在特定软件环境下再次打开。显然，数据导出和分享存在一定的局限性。

应对策略：利用截图软件，获取重要图像数据。配合使用Excel软件，辅助记录和处理数据。

数字化实验系统应用于物理教学，改进了教与学的方式，在提升学生实践能力、创新能力方面优势明显。然而，在使用过程中教师也遇到种种问题和困惑，还需要潜心钻研，不断尝试，努力将传感器实验用于日常教学，让学生体验数字化实验的魅力。

二、DIS实验案例

经过大量的DIS研究和实际操作，笔者总结了一套实验的操作流程，命名为“传感器实验六步法”。无论是教师演示实验，还是学生实验，按此六步进行，都可以取得较为满意的效果。此处，以用伏安法测电源的电动势与内阻、研究光敏电阻的特性曲线两个实验为例，说明DIS实验操作的一般流程与方法。

（一）用伏安法测电源的电动势与内阻（例1）

实验器材：计算机、数据采集器、电流传感器、电压传感器、干电池、滑动变阻器、开关、导线。

实验原理：由闭合电路欧姆定律=+可知，通过路端电压和总电流的多组测量值，即可求出电动势和电源内阻。

实验步骤如下。

1.选择传感器，设计实验

类比传统实验中用伏安法测电源的电动势与内阻的实验电路图（如图1），分别用电压传感器与电流传感器代替电压表和电流表，很快设计出DIS的实验电路（如图2）。

2.安装传感器及其配件

学生根据实验电路图，连接实物。

3.进行实验，实时显示测量进程

首先，将滑动变阻器电阻调到最大处，然后接通闭合电键。将软件的采样设置为“按点采样”，当滑动变阻器接入电路中不同的电阻时，可以获取不同的电压与电流值，并将采集的数据显示出来（如图3）。

4.采样数据，拟合图像

将实验采集到的离散点进行线性拟合，获得一条拟合直线，直线的截距即为电动势，斜率即为电源的内阻。

5.分析数据，得出结论

电源的电动势为2.5 V，内阻为1.6512 Ω。

6.保存数据，书写报告

在教师的指导下，学生保存实验中的重要图像，然后点击DIS-lab实验运行平台的保存按钮，将实验按“日期+实验名称+实验者”的格式命名保存。学生完成实验报告并打印上交。

此实验中，电流传感器和电压传感器配合使用，代替电流表和电压表，功效优越——数据记录准确且数据处理迅速。从数据点的分布可以直观地看出物理量的一次关系。应用软件的拟合功能，可以很好地拟合出一条直线，并显示出直线图像对应的解析式，进而从中直接得到电源的电动势和内阻。相对于传统实验中的数据读取、记录，以及在坐标纸上描点、作图来说，效率大大提高。

（二）研究光敏电阻的特性曲线（例2）

传感器是将不容易测量的非电信号转化为容易测量电信号的器件，传感器的核心元件是其中的敏感元件。常用的敏感元件有压敏电阻、热敏电阻和光敏电阻。

传统教学中，如果要研究光敏电阻的特性，需要测量光照度，而实验室一般没有测量光照的器材。利用DIS-lab系统测光强非常方便，也可以在课堂上将电阻的特性规律展示出来。

实验器材：光敏电阻、台灯、多用电表、数据采集器、计算机。

实验过程如下。

首先，教师向学生演示生活中应用传感器的例子，比如声控的电子蜡烛和声控灯。通过上述演示实验将学生带入情境，激发学生的学习兴趣，顺势引出传感器的定义和原理。

1.选择传感器，设计实验

教师让学生思考测绘光敏特性曲线需要何种传感器，并以小组形式讨论设计实验步骤。

学生发现，测量电阻可以用多用电表，测量光照度可以用光传感器，通过改变环境光照度，可以得到不同光照度下的电阻值，同时利用电脑软件可以得到光照度与电阻的特性曲线。

2.安装传感器及其配件

学生按照实验的要求安装好光传感器、数据采集器和电脑，准备好台灯、多用电表、光敏电阻（如图4）。

3.进行实验，实时显示测量进程

环境光强可通过控制窗帘和台灯来改变。师生在窗帘全闭、开一个窗帘、开两个窗帘、开台灯近光、开台灯远光这几种情况下测量电阻，得到所需的光照度和电阻数据点（如图5）。

4.采集数据，拟合图像

每改变一次光照度，就用多用表的欧姆档测量一次电阻，并用数字传感器测量一次光强，将采集的实验数据录入Excel表格中。

教师让学生思考如何分析电阻与光照度的关系，即思考实验数据的分析方法。学生利用计算表格的绘图功能得到光敏电阻的电阻值随光强的变化曲线。

5.分析数据，得出结论

由光敏电阻的光照特性曲线可知：当光照度很小时，光敏电阻的电阻非常大;当光照度很大时，光敏电阻很小;当光照度增加时，光敏电阻会随光照度的增加而急剧地减小。教师借助图像将光敏特性直观形象、简洁地展示出来。

6.保存数据，书写报告

学生点击DIS-lab实验运行平台的保存按钮，将实验按“日期+实验名称+实验者”的格式命名保存。学生完成实验报告，打印上交。

在日常生活中，传感器的应用也是很普遍的，例如声控灯里就有声敏电阻和光敏电阻，电饭锅里就有温敏电阻。然而，密切联系生活的实验很少出现在物理课堂上。利用数字化实验系统进行上述实验，实现了实验过程的可视化，缩短了实验时间，趣味性和可探究性都有所提高，这正是物理课堂所需要的。

三、传感器实验六步法的理论总结

具体步骤与方法如下。

第一步，选择传感器，设计实验。

根据实验要求选择合适的传感器，做好实验的设计方案，使用传感器采集实验数据，并画出实验设计图。

第二步，安装传感器及其配件。

先根据实验设计图，按照实验要求安装好实验器材、传感器、数据采集器和电脑，再打开DIS-lab软件，进入通用界面，对传感器窗口进行调零，确保传感器及其配件工作正常。

第三步，进行实验，实时显示测量进程。

先打开软件数据采集开关，进行实验操作，开始采集实验数据，再通过显示器实时显示测量进程，对出现的情况进行分析、处理。

第四步，采集数据，拟合图像。

应用DIS软件的数据记录和处理功能，可实现实验操作、数据记录和图像拟合一体化。系统直接获得的数据往往以散点图的形式显示，有时不能直观呈现物理量间的关系。对实验数据进行图像拟合，就可以直观显示一次关系、指数关系、反比例关系等。

数据的整理有三种形式：针对一次实验全部数据的采集和拟合、针对一次实验部分数据的采集和拟合、针对多次实验部分数据的采集和拟合。师生根据不同的实验要求来选择。

第五步，分析数据，得出结论。

学生根据实验数据和拟合图像分析讨论，得出实验结论。

第六步，保存数据，书写报告。

教师指导学生完成实验报告并打印上交。主要做好三件事：一是保存实验设置，便于以后进行同类实验时调用;二是保存计算表格，在表格中添加一个备注，用来记录实验名称、实验条件和重要的实验数据等;三是利用截屏技术存储重要实验图片。

物理实验不仅是物理教学的重要手段和方法，而且是物理教学的重要基础和重要内容。数字化实验系统应用于物理教学，是对教学手段的改进。学习者只有从数据读取、记录、公式运算和图像描绘等繁杂的简单劳动中解脱出来，才有时间和精力对物理现象进行深度感知、探究和思考。笔者总结出的“传感器实验六步法”，为教师使用数字化实验系统改进物理教学提供了参考。

注：本文系河北省教育科学“十三五”规划课题“高中物理教学中应用数字化实验的策略研究”（1704094）项目研究成果。

参考文献

[1] 李彦清，高嵩.基于DIS实验技术的平抛运动教学设计[J].物理教学，2016（11）：28-30.

（作者王刚系河北省邯郸市教育科学研究所教研员、高级教师;杨天照系河北省邯郸市第一中学教师）

责任编辑：祝元志