基于數字化傳感器平臺開發高中物理課程資源的理論與實踐

劉茂軍+馬俊

摘 要：課程資源是課程順利實施的重要保障.基于數字化傳感器平臺開發高中物理課程資源，體現了教育信息化發展、高中創新人才培養的需要，可以有效實現教師教學形式的多樣化、有效化，提升教學效果.實施方法包括：利用數字化傳感器開發實驗室資源、開發課堂教學資源、開發課外資源等三個方面，這一研究有效提高了高中生的培養質量，產生了較大的應用推廣價值.

關鍵詞：數字化傳感器平臺；高中物理；課程資源

作者簡介：劉茂軍（1978-），男，遼寧東港人，吉林師范大學副教授、教育學博士、碩士生導師，研究方向：物理課程與教學論；馬俊，吉林師范大學物理學院研究生.

1 研究背景

20世紀80年代以來，人類社會進入了信息時代，現代信息技術尤其是數字化信息系統DIS（Digital Information System）越來越多地進入學校教育之中，數字化傳感器（Digital sensor）系統是其中的典型代表.由于數字化傳感器具有諸多優點，[1]被越來越多地應用于高中物理課程資源開發過程，為高中物理課程提供多樣化的資源支持，有效地促進了高中生科技意識、動手能力和創新能力的培養.這不僅符合高中物理的教學實踐要求，也符合信息技術與學科課程深度融合的要求，更有利于課程改革的深入開展.

課程資源是支持課程教學的有用資源，是設計課程目標、實施教學過程和評價教學結果的所有資源的總稱，是課程順利實施的重要保障.數字化傳感器平臺是信息技術與教育深度整合的典型代表，在高中物理課程資源開發中具有顯著優勢.數字化傳感器平臺是傳感器、數據采集器與計算機技術有效結合的產物，傳感器將所檢測到的信號轉變成電學量，數據采集器又將這些電學量轉變成能被計算機識別的數字量，并通過計算機顯示出來.數字化傳感器系統具有精確度高、靈敏度高、即時性強、可重復操作等優點，而且操作簡單，數據圖像準確清晰，數據易于處理.結合數據采集器和相應的軟件系統，數字化信息系統可以實現微觀現象直觀化、數據采集數字化、圖象過程自動化、數據處理智能化，便于學生更直觀地觀察現象、更準確地分析結果，大大提高了教學效率.

基于數字化傳感器平臺的高中物理課程資源開發，是高中教學利用數字化傳感器平臺進行物理課程資源的開發，并將之有效應用于高中物理教學過程之中，從而實現教師教學形式的多樣化、有效化，促進學生對知識內容的掌握，提升教學效果.本成果所運用的數字化傳感器平臺主要包括PASCO數字化操作系統和朗威DISLab數字化操作系統兩種.資源開發內容包括：利用數字化傳感器平臺開發高中物理實驗資源、課堂教學資源、課外資源，并通過網絡實現資源共享等等.

2 研究意義

2.1 適應教育信息化發展的需要

1980年代以來，現代化的教育技術手段在課程改革過程中一直受到重視，尤其是現代信息技術在教育領域的不斷融合，使得教學內容、教學手段、教學模式等各方面產生了深刻的變革，傳統教學不斷向信息化教學轉變.在各類信息技術中脫穎而出的是數字化信息系統，數字化傳感器平臺是其中的典型代表，它以其優良的性能有力地推動了高中物理課程資源的數字化進程.利用數字化傳感器平臺開發高中物理課程資源，體現了高新技術手段與高中物理的緊密結合，可以為信息化技術在中學教育中的推廣提供示范，促進信息化技術在課堂教學中的應用，有效促進教育信息化的理論研究與實踐探索.[2]作為未來世界科技發展生力軍的高中生在高中階段接觸、熟悉、運用傳感器是信息化發展的必然要求.

2.2 符合高中創新人才培養的需要

隨著科學技術的飛速發展，創新能力越來越成為一個國家國際競爭力和國際地位最重要的決定因素.高中階段是學生思維發展的關鍵期，高中階段的教育對于培養創新能力尤為重要.數字化傳感器在高中物理課程資源開發過程中的合理運用，有利于培養學生的創新能力.首先，計算機和傳感器等數字化手段應用于物理過程的數據采集環節，可以更快捷、更準確地得到相關數據，并能顯示微小量、瞬間量等，節省了寶貴的課堂時間，高中生可以把更多的精力放在對物理過程的分析和研究上；其次，在數據分析環節上，利用傳感器的強大數據處理能力，可將學生從簡單、機械、繁瑣的數據處理過程中解脫出來，讓他們有更多的時間和精力去分析和思考.因此，利用數字化傳感器開發高中物理課程資源有利于高中生創新思維能力的發展，符合新時期創新人才培養的需要.

2.3 促進數字化傳感器應用的現實需要

雖然數字化傳感器在高中物理教學中具有顯著優勢，在我國一些發達省份的高中應用較為廣泛，但目前數字化傳感器的應用仍然存在現實問題.筆者在對吉林省高中數字化傳感器使用的調查中發現，一些高中沒有配備數字化傳感器，部分配備數字化傳感器的高中沒能合理利用傳感器，甚至出現器材閑置的情況.究其原因，主要是教師沒能意識到傳感器的重要價值，無法科學地將傳感器應用到高中物理教學之中.因此，利用傳感器開發高中物理課程資源，在不同物理課程環節展示數字化傳感器的實際應用，可以為高中物理教學開發數字化傳感器資源提供示范和引領作用，從而提高數字化傳感器在高中物理教學中的實踐效果.

3 研究內容與實施方法

3.1 利用數字化傳感器開發實驗室資源

3.1.1 實驗設計

實驗設計是學生根據實驗原理和要求，在明確實驗目的的基礎上，設計出合理的實驗方案并加以實施的過程.[3]利用數字化傳感器開展高中物理實驗設計，主要分為測量性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗等三種類型，每個實驗設計都實現了定量的實驗要求，解決了高中物理部分實驗無法定量的難題.例如，運用傳統實驗器材只能定性演示法拉第電磁感應定律的基本現象，運用數字化傳感器開展實驗設計，則可以對電動勢、磁通量變化量、變化時間等物理量進行精確測量，從而定量驗證該定律.實驗設計對于學生創新能力、動手能力、合作能力等都具有重要作用.endprint

3.1.2 實驗拓展

實驗拓展是指在教材原有實驗目的的基礎上，對實驗進行延伸、擴展、深化，從而開闊學生的知識視野，拓展學生的研究思路，使學生達到舉一反三的目的.例如，運用數字化傳感器將教材中“探究加速度與力、質量的關系”實驗，拓展為“質量恒定”、“力恒定”等兩種情況分別研究，并進一步拓展實驗目的：依據牛頓第二定律原理測量未知物體的質量，從而極大拓展了實驗研究的內容，提升了實驗教學的效果.

3.1.3 實驗探究

實驗探究是指學生通過設計實驗方案，對未知的實驗結論進行探究的過程，它是高中物理十分重要的實驗教學形式.一般來說，涉及多個物理知識點或多學科原理的綜合性實驗較為適合實驗探究.例如，探究水果電池電動勢的影響因素實驗，至少涉及物理、化學兩個學科的知識，影響變量多，開展實驗探究的效果較好.實驗探究是學生深化課堂知識、靈活運用知識的重要渠道，極大提升了學生的實驗探究能力.

3.2 利用數字化傳感器開發課堂教學資源

3.2.1 開展教學設計

教學設計是指教師依據教育教學理論、教學藝術原理，以獲得優化的教學過程為目的，以系統理論、傳播理念、學習理論和教學理論為基礎，對教學目標、教學內容、教學組織形式、教學方法和教學手段進行的策劃，教學設計是課堂教學的藍圖.數字化傳感器的運用拓展了高中物理教學設計的方式，豐富了教學設計的形式.[4]筆者主要開發了以下課型的教學設計：①基于數字化傳感器平臺開展概念課的教學設計；②基于數字化傳感器平臺開展規律課的教學設計；③基于數字化傳感器平臺開展練習課的教學設計；④基于數字化傳感器平臺開展復習課的教學設計；⑤基于數字化傳感器平臺開展學生實驗課的教學設計.通過數字化傳感器的運用，高中物理教學設計的手段更加豐富，教學組織形式更加多樣，教學目標更容易實現.

3.2.2 進行課堂演示

課堂演示是高中物理教學的重要環節，有利于學生直觀地觀察現象，增加學生的感性認識，提高學生對知識的理解，提高教學質量.數字化傳感器操作簡單，計算機實時生成數據圖表、函數擬合，非常適合課堂演示.高中物理課堂教學中的課堂演示包括：①整個過程演示：利用數字化傳感器將物理實驗的發生過程，用圖表、直方圖、示波器等功能記錄整個過程曲線，顯示整個過程的完整數據；②部分過程演示：為了分析某個環節的數據和曲線，截取部分過程進行演示分析；③實時數據演示：利用數字化傳感器的儀表、數字等功能，實時展示物理過程的數據，讓學生直觀感受數據變化，分析、總結科學過程的基本規律.課堂演示有效調動了高中生多種感官參與教學，學習內容的深度和廣度得到了拓展，學習能力得到了提高.

3.3 利用數字化傳感器開發課外資源

3.3.1 開展科技社團活動

課外科技活動是對教學內容的延伸和擴充，有利于增強高中生對教材內容的感知，培養學習興趣，對提高課堂教學質量有著積極的促進作用.筆者在永吉實驗、撫松一中等實踐學校開展科技社團活動，主要采取了以下措施：①組織了數字化傳感器的學生社團，參與各類科技比賽項目；②由高中教師、大學教師組成顧問組，對科技活動進行專業指導，保障了課外活動的順利開展；③委派熟悉傳感器的專任教師、學生對優秀課外科技活動作品進行宣傳、展示，并在高中開展了“科技活動周”等活動，使所有學生都有機會參與高科技產品的使用.運用數字化傳感器開展科技活動，培養了高中生團隊合作的意識和能力，形成了良好的科技創新氛圍.

3.3.2 組織參加機器人競賽

機器人是自動執行工作指令的機器裝置，其設計過程中大量運用傳感器.在運用數字化傳感器進行物理教學過程中，高中生對傳感器的特點、使用、原理等都有了深刻的認識，這些是機器人設計的重要基礎.筆者在合作學校積極組織高中生參加各類機器人比賽，包括沈陽二中、吉林大學附屬中學（高中部）、海南省洋浦中學等，其中沈陽二中獲得第十五屆中國青少年機器人競賽FLL挑戰賽一等獎，獲得了驕人的成績.高中生參加機器人競賽，極大地提高了學生傳感器的使用和設計能力，提高了高中生的創新能力.

4 研究成果與反思

4.1 取得了一系列研究成果

承擔和完成省級相關社科、教科研究課題2項；出版了《傳感器與中學物理探究實驗》（科學出版社）教材1部；在《福建教育學院學報》、《中學物理教學參考》、《物理教師》等刊物發表論文10余篇，其中CSSCI期刊3篇；實踐學校運用開發的課程資源獲得市級教學新秀、優質課共計30余人次.

4.2 提高了高中生的培養質量

通過高中物理教師對數字化傳感器的有效利用，實踐學校主要圍繞高中物理不同板塊的主題開發了多樣化的課程資源，這些資源在實踐學校的使用平均每學期超過50學時，豐富了學生的學習方式，拓展了學生的思維.在實踐過程中，實踐學校理科高考分數普遍提升10分左右.參與研究的高中生多次獲得FLL機器人世錦賽亞軍、遼寧省機器人競賽（高中組）一等獎等多項獎勵，有效提高了高中生人才培養質量.

4.3 提高了物理教師課程資源開發的意識與能力

參與實踐的高中教師對以傳感器為手段開發課程資源產生了濃厚的興趣，提高了高中教師開發課程資源的意識與能力，共計開發優質實驗類資源案例50余個，課堂教學演示80余個，教學設計案例100余個.正如參加實踐的李微教師說的：“我深深體會到了傳感器對高中物理課程資源開發的重要影響……也讓我學會了開發課程資源的基本方法，提高了教學研究意識和能力，我也會繼續結合傳感器開發高中物理課程資源的相關研究開展進一步的實踐探索.”

4.4 產生了較大的社會影響

本成果可以有效指導本省乃至全國其他省份的高中物理課程資源開發，為中學一線教師提供可供借鑒的實踐模式.2017年3月14日《吉林日報》（科教版）專門發表“數字化技術提升學生創新能力”的宣傳報道，對本成果給予了充分肯定.北京師范大學李春密教授認為：該成果緊密結合當前教育改革實際，拓寬了高中物理課程資源開發的途徑，凸顯了課程資源開發的特色，對提高高中學生的實踐與創新能力具有積極的作用.東北師范大學于海波教授認為：該研究系統、深入，實踐效果好，影響廣泛，是高中物理課程資源開發的成功案例.

4.5 產生了較大的應用推廣價值

本成果曾在全國師范院校師范生教學技能競賽、吉林省中小學教師教學競賽中運用，獲得了評委和專家的肯定與好評.先后有多所高中開展了實踐研究，取得了令人滿意的效果，吉林省撫松縣第一中學、集安市第一中學、永吉實驗高級中學、長春市第六中學、北京一五六中學、江蘇省鎮江第一中學、遼寧省丹東市第二中學、沈陽市第二中學、海南洋浦中學等10余所高中借鑒采用了本成果.數字化傳感器是高新科技在物理教學中應用的典型代表，為物理課程資源開發提供了良好的開發平臺.

參考文獻：

[1]劉茂軍，劉惠蓮，肖利.基于數字化傳感器開展物理實驗教學的問題、方法與策略[J].物理教學探討，2013，11（1）：71-73.

[2]劉茂軍，張冰，陳勝男.運用PASCO傳感器定量研究法拉第電磁感應定律[J].物理教師，2016，37（6）：44-45.

[3]劉茂軍，劉惠蓮，肖利.傳感器與中學物理實驗整合策略研究[J].教學與管理，2013（9）：149-151.

[4]劉茂軍，肖利.動量定理的實驗設計與研究[J].中學物理，2012（3）：42.endprint