基于传感器的物理实验和物理课程的一体化探究

摘"要：本文从实验仪器、实验目的以及课程内容三个维度出发，深入探讨了如何将基于传感器的物理实验与相应的物理课程有效融合。在继承教材原有实验方法精髓的基础上，本研究创新性地引入了传感器这一实验器材，利用其强大的数据采集能力并通过计算机进行数据处理，实现了实验过程的可视化。这一转变不仅帮助学生更加直观地理解课程内容，还推动了他们自主构建物理模型的能力，深化物理观念的形成。

关键词：传感器；物理实验；课程一体化

1"问题的提出

1.1"高中物理实验教学的现实问题

物理实验不仅是物理学科的基础，也是物理教学的重要手段，更是物理核心素养的重要载体。因此，教师应充分认识并发挥实验教学的价值和意义。然而，在当前高中物理教学实践中，实验教学是薄弱环节，其中存在以下问题：过分依赖教材，缺乏创新，脱离生活和科技前沿；数学方式主要以常规理论讲解为主，往往局限于纸上谈兵，或利用多媒体视频代替实际的实验操作，导致学生动手操作的机会很少；学校实验室的器材过于陈旧，使得学生在课堂内难以得到有效的实验数据或结论。

1.2"数字化实验的新课程要求

我国新一轮中学理科课程改革对数字化实验室和课程整合提出了明确的要求，特别是在利用传感器进行实验教学方面进行了重大调整。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，教师要设计各种学习活动让学生利用信息技术提升物理学习能力。［1］以传感器为核心的实验系统能够为学生提供更多的交流与合作机会，从而促进教育资源的合理分配，学生的学习方式也因此变得多种多样，极大地激发了学生的学习兴趣。

1.3"传感器实验与物理课程融会贯通的意义

高中物理实验教学需要融入技术应用，体现一定的技术性，并利用现代信息技术引导学生理解物理学的本质。教师应主动发现传统实验过程中存在的问题，并将当前科技融入实验教学，以增强科学探究和解决实际问题的能力。使用传感器来完成物理课程的实验，使课程内容的呈现方式、教师的授课方式、教师与学生的互动方式等都发生了新的变化，这种新的变化也使得教学过程中的各个环节以及要素都在原有基础上得到优化与完善。［2］目前，信息技术与物理课程的结合主要是通过以下三种方式来实现：在实验领域，主要是借助传感器来完成教学工作；在思维领域，主要是采用模拟方式来完成物理教学工作；在通信领域，主要是通过网络通信方式将物理教学与信息技术有效融合，营造新型教学环境，实现以“自主、探究、合作”为特征的教与学相结合的教学模式。这样的方式不仅能够充分发挥教师的主导性，同时也可以有效突出学生的主体地位，促进学生的创新精神和实践能力的培养，从而体现物理学科的基本核心素养——科学思维与科学探究。［3］

基于目前普通中学的教学现状，三种方式各有优缺点。首先，模拟实验可以在实验课前给学生观看实验的操作过程和注意事项，使学生能够清晰地理解实验的原理和目的，从而减轻教师讲解的负担。然而，模拟实验不能代替真实的实验感受，毕竟真正的实验操作和模拟实验还是存在很大的区别。其次，真实教学课堂使用网络通信方式的有效性较低，很多学校尚无法实现学生人手一台电脑（或平板）上课，但大数据的快速统计确实对学生的学情分析有所帮助。最后，以传感器为基础的实验方式在物理教学中的应用，其有效性体现在能够辅助实验过程并快速获取实验结果，减轻大量数据计算以及实验过程中复杂图像分析的负担，帮助学生摆脱原有的复杂计算工作，比如数据记录和读取以及公式操作等。［4］学生需要深入理解实验，要知道计算机为什么这样处理数据，并加强图像的处理能力。因此，基于传感器的物理实验对学生的能力要求更高，不仅要求他们理解实验的基本原理，还要熟悉计算机系统的软件操作，对学生的要求不仅限于课本内容，还要拓展到与课程相关的信息技术领域。

2"基于传感器的物理实验和物理课程一体化拓展

以粤教版教材中“电容器与电容”这节内容为例，本节内容需要解决的物理核心内容有：一是了解电容器的主要结构，对市面上经常出现的电容器有所认识；二是对电容器的整个充放电流程加以观察，从而对其科学本质有所认识；三是借助比值定义法完成定义电容的任务，对电容所对应的物理意义有所认识；四是对影响电容的主要因素加以探究，从而使得学生的学习热情得到提升。本节的主要内容是基于对电容器充放电过程的分析，认识到充电过程是电能转化成电场能的过程，放电过程是电场能转化为其他形式能的过程；难点在于如何通过实验数据利用比值定义法定义电容，以及通过实验探究得到电容的决定式。

本文根据《课程标准》的要求，安排了一个观察电容器充放电的演示实验和一个探究电容大小决定因素的分组实验，但是课本提供的实验装置存在不足之处。如图1所示电路，在观察电容器充放电时，学生只能观察到充放电过程的电流变化且时间很短，学生不能直观地观察到电容器两端电压的变化过程，老师需要多次操作才能达到预期的教学效果。在探究电容大小决定因素的分组实验中，学生利用静电计与平行板电容器连接（见图2）来完成实验，这对实验环境的要求很高。

这个装置存在以下不足：首先，平行板电容器与周围空气接触，充电后很快就会放完电，很难达到保持电容器电荷量不变的要求；其次，以学生现有的知识基础难以在短时间内理解为什么用静电计指针夹角的大小来衡量电容器两板间的电压高低，并且学生往往无法区分静电计与验电器的作用，因此教师需要在这一点上向学生拓展较多的内容。

本部分内容以物理核心素养为基本要求：首先，通过探究影响平行板电容器电容的因素实验，让学生经历电容器充放电的科学探究过程，理解比值定义法和类比法；其次，让学生体验控制变量法，并能对问题进行定性分析。为了达成以上目标，对本节课程进行了以下拓展。

2.1"实验仪器的改进与拓展

为了方便观察电流和电压数据的变化情况，本研究对上述两个实验进行改装，利用传感器完成本次实验，改装后的观察电容器的充放电实验电路图如图3所示。电路中接入二极管，以便观察充放电过程中电流的方向，在充放电的电路中各接入一个电阻，延长充放电的时间。通过电压传感器以及电流传感器关联的软件，可以对充放电时的电流和电压改变情况加以分析。

探究电容器充放电过程的实验操作如下。

第一步，选择合适的学生电源（可以改变电源电动势E）。

第二步，开关接1：给电容器充电，二极管D4发亮，电流的变化如图4所示。

第三步，开关接2：电容器放电，二极管D1发亮，说明电容器在充电过程存储的是电场能，电压的变化如图5所示。

从电流变化图可以看出充放电过程电流的方向不同，充放电开始时电流突然增大然后逐渐减小，充放电结束后电流为零；从电压变化图可以看出充电过程电压逐渐增大，充电结束后电压达到最大。

对电容大小的探究实验主要是以分组实验的方式开展的，该实验使用平行板电容器和电容数字显示器（见图6），通过改变电容器原有的板间距离以及正对面积，借助电容数字显示器对电容改变情况加以观察，由此可

定性确定电容与两板间距离、相对介电常数以及极板正对面积等的关系：正对面积减小，电容C减小；两板间距离增大，电容C减小；放入电介质，电容C增大。

2.2"对实验原理的拓展

学生通过改进实验明确了充放电过程中电流的方向以及电压与电流的变化情况。通过观察到的实验现象分析原理是物理学科的基本素养，所以结合理论分析图7和图8，让学生分析并理解电容器在充放电过程中是如何存储电能和释放电能的。充电过程是电能转化为电场能，放电过程是电场能转化为其他形式的能量。

2.3"对实验目的的拓展

本课程内容的难点是通过实验得出电容C＝Q/U，学会用比值定义法定义一个新的物理量。

首先提出问题：电容器所容纳的电荷量Q的多少与什么因素有关？

猜想：与电容器两端的电压U有关。

实验验证：同一个电容器在充电完成后电荷量Q与电压U的关系。那么，如何得到电容器所带的电荷量Q以及其两端电压U的数据呢？

基于《课程标准》，粤教版新教材设计的实验方法是：根据电荷量Q＝It，利用电流传感器得到实验过程的I"-t图像并用软件自带的积分函数得到充电完成后的电荷量Q；利用电压传感器得到实验过程的U"-t图像，则图像对应的电压的最大值即为充电完成后的电压U。

改变电源电动势，再重复五次实验，共得到六组数据（见表1），作出电容器C1的电荷量Q随电压U变化的图像（见图9）。

更换电容器，重复以上实验操作，得到六组数据（见表2），作出电容器C2的电荷量Q随电压U变化的图像（见图10）。

探究电容器电荷量Q与电压U关系的实验还可以采用以下方法（见图11）完成。首先，让开关接1对电容器C1充电，充电完成后断开电源；接着，让两个完全相同的电容器C2与电容器C1并联，开关接2时电容器C1就会将其一半的电荷量转移给电容器C2；然后，通过观察电容器两端的电压变化，可以发现当电容器C1的电荷量减半时其两端电压也相应减半；最后，闭合开关，释放电容器C2的电荷量，断开开关后，再次让开关接2时，使电容器C1的电荷量再次减半，此时其两端电压也会再次减半。重复以上操作并记录数据（见表3）。

对本次实验的结论加以总结：电容器的电荷量Q与电压U之间的关系是正比关系，具体比值为常数，当电容器不同时其比值也存在差异，由此表示这个比值可以充分体现电容器的特性，在物理学中也将该物理量称作电容，符号为C。

3"结语

教学工作中不可缺少的一项内容是教学手段的分析。以传感器为核心的物理实验，其实验过程中包含了先进的实验方法（然而，这些方法中所涵盖的教学理念是否具有先进性还未可知）。确保课程与技术有效结合，其本质便是教育理念与技术手段的结合。［5］因此，教师在组织学生开展教学活动时，不应只将关注点放到教学方式的先进性上，也需要对教学理念的变化给予重视，并且对教学过程加以关注。以传感器为基础的物理实验的拓展体现了先进的教学思想，其合理应用本身就要求对传统教育理念和教育模式进行同步变革，以尊重人的能动性、原创性、反思性、协作性的教育理念和教育新模式来替代。

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2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：54.

［2］王祥东，张津玮，申琳娜.重构规律教学逻辑 提升科学探究能力——以人教版必修第二册“向心力”一课为例［J］.物理教学探讨，2023，41（2）：16"-20.

［3］张金权.DIS数字实验系统与物理探究教学整合的策略［J］.物理教学探讨，2013，31（11）：56"-57，59.

［4］周祥云.DISLab在高中物理实验教学中的应用研究［D］.曲阜：曲阜师范大学，2017：1"-50.

［5］吕守明，吴志红.“观察电容器的充放电现象”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2021，38（9）：25"-26.