基于傳感器的物理實驗和物理課程的一體化探究

摘"要：本文從實驗儀器、實驗目的以及課程內容三個維度出發，深入探討了如何將基于傳感器的物理實驗與相應的物理課程有效融合。在繼承教材原有實驗方法精髓的基礎上，本研究創新性地引入了傳感器這一實驗器材，利用其強大的數據采集能力并通過計算機進行數據處理，實現了實驗過程的可視化。這一轉變不僅幫助學生更加直觀地理解課程內容，還推動了他們自主構建物理模型的能力，深化物理觀念的形成。

關鍵詞：傳感器；物理實驗；課程一體化

1"問題的提出

1.1"高中物理實驗教學的現實問題

物理實驗不僅是物理學科的基礎，也是物理教學的重要手段，更是物理核心素養的重要載體。因此，教師應充分認識并發揮實驗教學的價值和意義。然而，在當前高中物理教學實踐中，實驗教學是薄弱環節，其中存在以下問題：過分依賴教材，缺乏創新，脫離生活和科技前沿；數學方式主要以常規理論講解為主，往往局限于紙上談兵，或利用多媒體視頻代替實際的實驗操作，導致學生動手操作的機會很少；學校實驗室的器材過于陳舊，使得學生在課堂內難以得到有效的實驗數據或結論。

1.2"數字化實驗的新課程要求

我國新一輪中學理科課程改革對數字化實驗室和課程整合提出了明確的要求，特別是在利用傳感器進行實驗教學方面進行了重大調整。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）指出，教師要設計各種學習活動讓學生利用信息技術提升物理學習能力。［1］以傳感器為核心的實驗系統能夠為學生提供更多的交流與合作機會，從而促進教育資源的合理分配，學生的學習方式也因此變得多種多樣，極大地激發了學生的學習興趣。

1.3"傳感器實驗與物理課程融會貫通的意義

高中物理實驗教學需要融入技術應用，體現一定的技術性，并利用現代信息技術引導學生理解物理學的本質。教師應主動發現傳統實驗過程中存在的問題，并將當前科技融入實驗教學，以增強科學探究和解決實際問題的能力。使用傳感器來完成物理課程的實驗，使課程內容的呈現方式、教師的授課方式、教師與學生的互動方式等都發生了新的變化，這種新的變化也使得教學過程中的各個環節以及要素都在原有基礎上得到優化與完善。［2］目前，信息技術與物理課程的結合主要是通過以下三種方式來實現：在實驗領域，主要是借助傳感器來完成教學工作；在思維領域，主要是采用模擬方式來完成物理教學工作；在通信領域，主要是通過網絡通信方式將物理教學與信息技術有效融合，營造新型教學環境，實現以“自主、探究、合作”為特征的教與學相結合的教學模式。這樣的方式不僅能夠充分發揮教師的主導性，同時也可以有效突出學生的主體地位，促進學生的創新精神和實踐能力的培養，從而體現物理學科的基本核心素養——科學思維與科學探究。［3］

基于目前普通中學的教學現狀，三種方式各有優缺點。首先，模擬實驗可以在實驗課前給學生觀看實驗的操作過程和注意事項，使學生能夠清晰地理解實驗的原理和目的，從而減輕教師講解的負擔。然而，模擬實驗不能代替真實的實驗感受，畢竟真正的實驗操作和模擬實驗還是存在很大的區別。其次，真實教學課堂使用網絡通信方式的有效性較低，很多學校尚無法實現學生人手一臺電腦（或平板）上課，但大數據的快速統計確實對學生的學情分析有所幫助。最后，以傳感器為基礎的實驗方式在物理教學中的應用，其有效性體現在能夠輔助實驗過程并快速獲取實驗結果，減輕大量數據計算以及實驗過程中復雜圖像分析的負擔，幫助學生擺脫原有的復雜計算工作，比如數據記錄和讀取以及公式操作等。［4］學生需要深入理解實驗，要知道計算機為什么這樣處理數據，并加強圖像的處理能力。因此，基于傳感器的物理實驗對學生的能力要求更高，不僅要求他們理解實驗的基本原理，還要熟悉計算機系統的軟件操作，對學生的要求不僅限于課本內容，還要拓展到與課程相關的信息技術領域。

2"基于傳感器的物理實驗和物理課程一體化拓展

以粵教版教材中“電容器與電容”這節內容為例，本節內容需要解決的物理核心內容有：一是了解電容器的主要結構，對市面上經常出現的電容器有所認識；二是對電容器的整個充放電流程加以觀察，從而對其科學本質有所認識；三是借助比值定義法完成定義電容的任務，對電容所對應的物理意義有所認識；四是對影響電容的主要因素加以探究，從而使得學生的學習熱情得到提升。本節的主要內容是基于對電容器充放電過程的分析，認識到充電過程是電能轉化成電場能的過程，放電過程是電場能轉化為其他形式能的過程；難點在于如何通過實驗數據利用比值定義法定義電容，以及通過實驗探究得到電容的決定式。

本文根據《課程標準》的要求，安排了一個觀察電容器充放電的演示實驗和一個探究電容大小決定因素的分組實驗，但是課本提供的實驗裝置存在不足之處。如圖1所示電路，在觀察電容器充放電時，學生只能觀察到充放電過程的電流變化且時間很短，學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到預期的教學效果。在探究電容大小決定因素的分組實驗中，學生利用靜電計與平行板電容器連接（見圖2）來完成實驗，這對實驗環境的要求很高。

這個裝置存在以下不足：首先，平行板電容器與周圍空氣接觸，充電后很快就會放完電，很難達到保持電容器電荷量不變的要求；其次，以學生現有的知識基礎難以在短時間內理解為什么用靜電計指針夾角的大小來衡量電容器兩板間的電壓高低，并且學生往往無法區分靜電計與驗電器的作用，因此教師需要在這一點上向學生拓展較多的內容。

本部分內容以物理核心素養為基本要求：首先，通過探究影響平行板電容器電容的因素實驗，讓學生經歷電容器充放電的科學探究過程，理解比值定義法和類比法；其次，讓學生體驗控制變量法，并能對問題進行定性分析。為了達成以上目標，對本節課程進行了以下拓展。

2.1"實驗儀器的改進與拓展

為了方便觀察電流和電壓數據的變化情況，本研究對上述兩個實驗進行改裝，利用傳感器完成本次實驗，改裝后的觀察電容器的充放電實驗電路圖如圖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電阻，延長充放電的時間。通過電壓傳感器以及電流傳感器關聯的軟件，可以對充放電時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驗操作如下。

第一步，選擇合適的學生電源（可以改變電源電動勢E）。

第二步，開關接1：給電容器充電，二極管D4發亮，電流的變化如圖4所示。

第三步，開關接2：電容器放電，二極管D1發亮，說明電容器在充電過程存儲的是電場能，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，充放電開始時電流突然增大然后逐漸減小，充放電結束后電流為零；從電壓變化圖可以看出充電過程電壓逐漸增大，充電結束后電壓達到最大。

對電容大小的探究實驗主要是以分組實驗的方式開展的，該實驗使用平行板電容器和電容數字顯示器（見圖6），通過改變電容器原有的板間距離以及正對面積，借助電容數字顯示器對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、相對介電常數以及極板正對面積等的關系：正對面積減小，電容C減小；兩板間距離增大，電容C減小；放入電介質，電容C增大。

2.2"對實驗原理的拓展

學生通過改進實驗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。通過觀察到的實驗現象分析原理是物理學科的基本素養，所以結合理論分析圖7和圖8，讓學生分析并理解電容器在充放電過程中是如何存儲電能和釋放電能的。充電過程是電能轉化為電場能，放電過程是電場能轉化為其他形式的能量。

2.3"對實驗目的的拓展

本課程內容的難點是通過實驗得出電容C＝Q/U，學會用比值定義法定義一個新的物理量。

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？

猜想：與電容器兩端的電壓U有關。

實驗驗證：同一個電容器在充電完成后電荷量Q與電壓U的關系。那么，如何得到電容器所帶的電荷量Q以及其兩端電壓U的數據呢？

基于《課程標準》，粵教版新教材設計的實驗方法是：根據電荷量Q＝It，利用電流傳感器得到實驗過程的I"-t圖像并用軟件自帶的積分函數得到充電完成后的電荷量Q；利用電壓傳感器得到實驗過程的U"-t圖像，則圖像對應的電壓的最大值即為充電完成后的電壓U。

改變電源電動勢，再重復五次實驗，共得到六組數據（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，重復以上實驗操作，得到六組數據（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關系的實驗還可以采用以下方法（見圖11）完成。首先，讓開關接1對電容器C1充電，充電完成后斷開電源；接著，讓兩個完全相同的電容器C2與電容器C1并聯，開關接2時電容器C1就會將其一半的電荷量轉移給電容器C2；然后，通過觀察電容器兩端的電壓變化，可以發現當電容器C1的電荷量減半時其兩端電壓也相應減半；最后，閉合開關，釋放電容器C2的電荷量，斷開開關后，再次讓開關接2時，使電容器C1的電荷量再次減半，此時其兩端電壓也會再次減半。重復以上操作并記錄數據（見表3）。

對本次實驗的結論加以總結：電容器的電荷量Q與電壓U之間的關系是正比關系，具體比值為常數，當電容器不同時其比值也存在差異，由此表示這個比值可以充分體現電容器的特性，在物理學中也將該物理量稱作電容，符號為C。

3"結語

教學工作中不可缺少的一項內容是教學手段的分析。以傳感器為核心的物理實驗，其實驗過程中包含了先進的實驗方法（然而，這些方法中所涵蓋的教學理念是否具有先進性還未可知）。確保課程與技術有效結合，其本質便是教育理念與技術手段的結合。［5］因此，教師在組織學生開展教學活動時，不應只將關注點放到教學方式的先進性上，也需要對教學理念的變化給予重視，并且對教學過程加以關注。以傳感器為基礎的物理實驗的拓展體現了先進的教學思想，其合理應用本身就要求對傳統教育理念和教育模式進行同步變革，以尊重人的能動性、原創性、反思性、協作性的教育理念和教育新模式來替代。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：54.

［2］王祥東，張津瑋，申琳娜.重構規律教學邏輯 提升科學探究能力——以人教版必修第二冊“向心力”一課為例［J］.物理教學探討，2023，41（2）：16"-20.

［3］張金權.DIS數字實驗系統與物理探究教學整合的策略［J］.物理教學探討，2013，31（11）：56"-57，59.

［4］周祥云.DISLab在高中物理實驗教學中的應用研究［D］.曲阜：曲阜師范大學，2017：1"-50.

［5］呂守明，吳志紅.“觀察電容器的充放電現象”實驗的改進［J］.實驗教學與儀器，2021，38（9）：25"-26.