新一輪的課程改革背景下，實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)教育中一種獨(dú)特的教學(xué)形式，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生“做科學(xué)”，強(qiáng)調(diào)“活動(dòng)探究”?；趥鞲屑夹g(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是以傳感器為核心工具，與信息技術(shù)相整合，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、直觀顯示以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖形化。正是由于傳感器可以檢測(cè)多種物理參數(shù)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并且具備功能多樣、體積小、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，將先進(jìn)的傳感技術(shù)引進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)極大地拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大大降低實(shí)驗(yàn)難度，使傳統(tǒng)定性、半定量的實(shí)驗(yàn)定量化，更注重實(shí)驗(yàn)證據(jù)的獲取，實(shí)驗(yàn)的探究性得以加強(qiáng)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和科學(xué)素養(yǎng)。
　　
　　基于傳感技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路
　　
　　科學(xué)教育領(lǐng)域的傳感技術(shù)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及工具軟件構(gòu)成。其中傳感器是該系統(tǒng)的核心，計(jì)算機(jī)及工具軟件為輔助設(shè)備。若將該系統(tǒng)比做人體，那么傳感器就是人體的五官，其功能的多樣性直接決定了傳感技術(shù)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。同樣，實(shí)驗(yàn)中能否引入傳感技術(shù)，關(guān)鍵在于傳感器能否直接或間接測(cè)定待測(cè)量，即儀器的支持作用是該類實(shí)驗(yàn)開發(fā)首先考慮的因素。
　　
　　1.確定實(shí)驗(yàn)選題
　　根據(jù)教材、課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)生的知識(shí)背景、傳感技術(shù)的功能等選擇合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容，確定實(shí)驗(yàn)主題。
　　
　　2.選定實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量
　　(1)直接測(cè)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象和特點(diǎn)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量，依據(jù)對(duì)傳感器功能的認(rèn)識(shí)，初步尋找合適的傳感器，進(jìn)行直接測(cè)定。例如利用溶解氧傳感器可以直接測(cè)定水體中溶解氧氣的濃度，用壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)一天內(nèi)大氣壓的變化，用溫度傳感器研究化學(xué)變化中的溫度變化等。
　　(2)“轉(zhuǎn)化”后再檢測(cè)。若無法找到直接支持的傳感器，則必須將待觀察量轉(zhuǎn)化為可直接檢測(cè)的物理量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們把這一環(huán)節(jié)稱作“轉(zhuǎn)化”。轉(zhuǎn)化是科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要思想，自然科學(xué)的研究正是將內(nèi)隱的、微觀的和具體的變化外顯化、宏觀化和抽象化的轉(zhuǎn)化過程，基于傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)更能揭示科學(xué)活動(dòng)這一轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。
　　針對(duì)轉(zhuǎn)化本身，不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象存在不同的轉(zhuǎn)化模式。我們可以通過分析實(shí)驗(yàn)對(duì)象本體的性質(zhì)和特點(diǎn)，列舉其中變化的物理量，然后選擇變化明顯、測(cè)量簡(jiǎn)便的物理量為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量，再選用合適的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比如植物的呼吸作用，在這個(gè)過程中，伴隨著熱量的釋放、二氧化碳濃度的升高、氧氣濃度的下降等等物理量的變化，我們便可以借助這些變化量來監(jiān)控植物的呼吸作用。再如，鹽度是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，由于鹽可溶于水，發(fā)生電離，鹽度不同，那么土壤溶液中的離子濃度不同，電導(dǎo)率不同，因此，可利用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行測(cè)定。
　　
　　3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案
　　根據(jù)已確定的觀測(cè)量，考慮相關(guān)影響因素，形成實(shí)驗(yàn)方案，并預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件和儀器參數(shù)（主要指?jìng)鞲衅骱蛿?shù)據(jù)采集器）。
　　
　　4.實(shí)施實(shí)驗(yàn)
　　實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中遇到的問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)用品的種類、用量及測(cè)定時(shí)間等進(jìn)行調(diào)整，以得出較理想的符合科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行優(yōu)選。
　　科學(xué)實(shí)驗(yàn)同時(shí)具有“可預(yù)見性”和“不可預(yù)見性”的特點(diǎn)?？深A(yù)見性是指科學(xué)、合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)想是實(shí)驗(yàn)成功的基本保證，可以使實(shí)驗(yàn)研究過程順暢、有條理。而有時(shí)實(shí)驗(yàn)原理盡管看似完美，但在實(shí)施過程中可能會(huì)遇到各種各樣的問題，這就是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的不可預(yù)見性，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的不可預(yù)見性有來自實(shí)驗(yàn)儀器的問題，也有來自實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題。
　　例如，初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)向燒杯中傾倒二氧化碳?xì)怏w，階梯形燭臺(tái)上的蠟燭從下向上熄滅，以說明二氧化碳比空氣重且不支持燃燒，也許我們很容易想到用二氧化碳傳感器來監(jiān)控這一過程，但如果實(shí)際實(shí)施實(shí)驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，傾倒的二氧化碳會(huì)超過二氧化碳傳感器的量程，實(shí)驗(yàn)失敗。由此必須將觀測(cè)量進(jìn)一步“轉(zhuǎn)化”，轉(zhuǎn)化為其他可檢測(cè)的物理量?？紤]到二氧化碳的增加會(huì)引起氧氣濃度的減小，用氧氣傳感器代替二氧化碳傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可取得成功。如裝置圖1所示，用氧氣傳感器監(jiān)測(cè)氧氣濃度的變化，用光強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)光強(qiáng)度的變化，會(huì)發(fā)現(xiàn)在傾倒二氧化碳的過程中，氧氣濃度逐漸減小，光強(qiáng)度減小（蠟燭變暗），這樣有力地說明了二氧化碳密度比氧氣大且不支持燃燒這一性質(zhì)。
　　再如，植物呼吸的實(shí)驗(yàn)研究，如前文所述，可以根據(jù)這一過程中熱量的釋放、二氧化碳濃度升高、氧氣濃度下降等物理量的變化進(jìn)行監(jiān)控，但在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，還要考慮熱效應(yīng)是否明顯容易測(cè)量、熱效應(yīng)是否受環(huán)境溫度變化的影響、二氧化碳和氧氣濃度是否受光合作用的影響等等影響因素，考慮到這些因素，我們便會(huì)采取保溫避光的實(shí)驗(yàn)條件。
　　科學(xué)實(shí)驗(yàn)這些“不可預(yù)見性”的特點(diǎn)可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗，但也會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)許多值得研究的問題，這也正是科學(xué)探究的樂趣和魅力所在，那種用“思維實(shí)驗(yàn)”、“黑板實(shí)驗(yàn)”替代探究實(shí)驗(yàn)的做法很難增進(jìn)學(xué)生對(duì)于科學(xué)的理解。
　　
　　5.反思總結(jié)
　　反思實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵或異常環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再設(shè)計(jì)和拓展性研究?？偨Y(jié)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，提出供學(xué)生交流討論的問題。
　　
　　由上述討論可見，從實(shí)驗(yàn)手段上講，基于傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)可以分為直接測(cè)定和間接測(cè)定（轉(zhuǎn)化后測(cè)定）兩大類；從實(shí)驗(yàn)過程來講，預(yù)見性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，預(yù)見性弱的實(shí)驗(yàn)則有更多的影響因素需要考慮，往往需要重復(fù)設(shè)計(jì)?；趥鞲屑夹g(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研發(fā)的思路可以用圖2表示。
　　基于傳感技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)示例
　　
　　1.污水排放對(duì)水體中溶解氧濃度的影響——直接測(cè)定法
　　水體污染和水體質(zhì)量是初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)教材中的重要課題，而水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有多項(xiàng)內(nèi)容，溶解氧濃度是其中之一，且學(xué)生對(duì)水體中溶解的氧氣的作用已有了解，因此可以選取氧氣濃度作為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量，使用溶解氧傳感器直接測(cè)得。
　　根據(jù)不同的教學(xué)要求，本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以有不同的設(shè)計(jì)。如果作為真實(shí)情景的綜合實(shí)踐活動(dòng)，可由學(xué)生攜帶溶解氧傳感器親自到河流或湖泊進(jìn)行檢測(cè)；但并非所有的學(xué)校都具備靠近水體的條件，有時(shí)也沒有充裕的課時(shí)支持。在這樣的條件下，可以通過實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行。例如有機(jī)污染物等還原性物質(zhì)，會(huì)消耗水體中的氧氣；含氮磷的物質(zhì)，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，經(jīng)過一系列變化，導(dǎo)致水體溶解氧濃度降低。由于上述生化過程所需時(shí)間較長(zhǎng)，我們可以借助還原劑Na2SO3代替污染物消耗氧氣模擬上述過程。
　　如圖3所示組裝實(shí)驗(yàn)裝置，向燒杯中加入一定量的水樣，將溶解氧傳感器浸沒于水中，啟動(dòng)磁力攪拌器，攪拌。加入2M的Na2SO3溶液，每次加入5滴，充分?jǐn)嚢璨y(cè)定溶解氧的濃度，分析溶解氧濃度隨Na2SO3溶液加入量的變化。
　　在未加入Na2SO3之前，隨著攪拌的進(jìn)行，水樣中溶解氧濃度不斷增加，直至達(dá)到飽和；加入Na2SO3后，水體中溶解氧濃度急劇下降，達(dá)到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。
　　傳統(tǒng)的溶解氧滴定測(cè)定，只能測(cè)定某種狀態(tài)下的溶解氧濃度，且操作比較繁瑣。引入傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了水體中溶解氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將變化的過程記錄了下來，且操作簡(jiǎn)單，更有利于低年級(jí)學(xué)生進(jìn)行探究活動(dòng)。
　　
　　2.植物蒸騰作用的測(cè)定——間接測(cè)定法
　　植物的蒸騰作用是中小學(xué)科學(xué)課程中的一個(gè)核心概念，關(guān)于蒸騰作用的下級(jí)內(nèi)容有很多，我們選取測(cè)定蒸騰作用的速率為實(shí)驗(yàn)主題。目前為止，沒有開發(fā)出能夠直接測(cè)定蒸騰作用的傳感器，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化。
　　
　　蒸騰作用具有過程屬性，在此過程中，植物體內(nèi)不斷有水分通過氣孔散失到空氣中，根或莖部不斷從周圍的生存環(huán)境中吸收水分，以達(dá)到植物體內(nèi)水分的相對(duì)平衡。因此，蒸騰作用的特性是失水和吸水，倘若將植物根或莖浸入一個(gè)盛水的密閉容器中，由于植物吸水，導(dǎo)致水量減少，液面上方空間變大，一定質(zhì)量的空氣體積變大，壓強(qiáng)變小?？赏ㄟ^壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行測(cè)定（如裝置圖4），從而實(shí)現(xiàn)蒸騰作用測(cè)定的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量由蒸騰作用的速率轉(zhuǎn)化為密閉體系中的壓強(qiáng)。
　　在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)的玻璃儀器如密閉的錐形瓶，由于其體積大，因蒸騰作用而減少的水的體積相對(duì)于容器的體積太小，導(dǎo)致壓強(qiáng)變化不明顯。筆者通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，用裝滿自來水的乳膠管代替錐形瓶，實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)變化的放大化；數(shù)據(jù)采集器的設(shè)置中，由于蒸騰作用中水的減少是一個(gè)漸變過程，需要一段時(shí)間的積累才能完成，因此采樣時(shí)間要長(zhǎng)；另外，植物的選取，考慮到價(jià)格以及蒸騰作用強(qiáng)度的問題，選用花店出售的旺盛的花枝，如菊花（約1元/朵），降低了實(shí)驗(yàn)成本，從而完成實(shí)驗(yàn)本體的開發(fā)。
　　反思實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)乳膠管和植物莖干、乳膠管和壓強(qiáng)傳感器探頭連接的密閉性是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，必須保證連接端口的緊密性。在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，教師還可以做風(fēng)速、氣溫、不同種類植物等不同條件下的蒸騰作用比較實(shí)驗(yàn)。
　　由以上討論我們可以看出，基于傳感技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)有力體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)對(duì)于科學(xué)研究的強(qiáng)大支持作用，展示了科學(xué)活動(dòng)的時(shí)代性特色，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)研究中“轉(zhuǎn)化”的重要思想和科學(xué)探究的方法，為我們的科學(xué)教育增添了新的活力。本文提出的基于傳感技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，是我們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，揭示了“轉(zhuǎn)化”、“變量控制”、“因素分析”、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的“不可預(yù)見性”等科學(xué)過程的基本特點(diǎn)，希望對(duì)今后的實(shí)驗(yàn)研究具有借鑒意義。