摘"要：本文從實驗儀器、實驗?zāi)康囊约罢n程內(nèi)容三個維度出發(fā)，深入探討了如何將基于傳感器的物理實驗與相應(yīng)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(chǔ)上，本研究創(chuàng)新性地引入了傳感器這一實驗器材，利用其強大的數(shù)據(jù)采集能力并通過計算機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了實驗過程的可視化。這一轉(zhuǎn)變不僅幫助學(xué)生更加直觀地理解課程內(nèi)容，還推動了他們自主構(gòu)建物理模型的能力，深化物理觀念的形成。

關(guān)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(xué)的現(xiàn)實問題

物理實驗不僅是物理學(xué)科的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的重要手段，更是物理核心素養(yǎng)的重要載體。因此，教師應(yīng)充分認(rèn)識并發(fā)揮實驗教學(xué)的價值和意義。然而，在當(dāng)前高中物理教學(xué)實踐中，實驗教學(xué)是薄弱環(huán)節(jié)，其中存在以下問題：過分依賴教材，缺乏創(chuàng)新，脫離生活和科技前沿；數(shù)學(xué)方式主要以常規(guī)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(dǎo)致學(xué)生動手操作的機會很少；學(xué)校實驗室的器材過于陳舊，使得學(xué)生在課堂內(nèi)難以得到有效的實驗數(shù)據(jù)或結(jié)論。

1.2"數(shù)字化實驗的新課程要求

我國新一輪中學(xué)理科課程改革對數(shù)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(xué)方面進行了重大調(diào)整?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，教師要設(shè)計各種學(xué)習(xí)活動讓學(xué)生利用信息技術(shù)提升物理學(xué)習(xí)能力。［1］以傳感器為核心的實驗系統(tǒng)能夠為學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)方式也因此變得多種多樣，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)需要融入技術(shù)應(yīng)用，體現(xiàn)一定的技術(shù)性，并利用現(xiàn)代信息技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)。教師應(yīng)主動發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗過程中存在的問題，并將當(dāng)前科技融入實驗教學(xué)，以增強科學(xué)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(nèi)容的呈現(xiàn)方式、教師的授課方式、教師與學(xué)生的互動方式等都發(fā)生了新的變化，這種新的變化也使得教學(xué)過程中的各個環(huán)節(jié)以及要素都在原有基礎(chǔ)上得到優(yōu)化與完善。［2］目前，信息技術(shù)與物理課程的結(jié)合主要是通過以下三種方式來實現(xiàn)：在實驗領(lǐng)域，主要是借助傳感器來完成教學(xué)工作；在思維領(lǐng)域，主要是采用模擬方式來完成物理教學(xué)工作；在通信領(lǐng)域，主要是通過網(wǎng)絡(luò)通信方式將物理教學(xué)與信息技術(shù)有效融合，營造新型教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)以“自主、探究、合作”為特征的教與學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。這樣的方式不僅能夠充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)性，同時也可以有效突出學(xué)生的主體地位，促進學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，從而體現(xiàn)物理學(xué)科的基本核心素養(yǎng)——科學(xué)思維與科學(xué)探究。［3］

基于目前普通中學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，三種方式各有優(yōu)缺點。首先，模擬實驗可以在實驗課前給學(xué)生觀看實驗的操作過程和注意事項，使學(xué)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(fù)擔(dān)。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(qū)別。其次，真實教學(xué)課堂使用網(wǎng)絡(luò)通信方式的有效性較低，很多學(xué)校尚無法實現(xiàn)學(xué)生人手一臺電腦（或平板）上課，但大數(shù)據(jù)的快速統(tǒng)計確實對學(xué)生的學(xué)情分析有所幫助。最后，以傳感器為基礎(chǔ)的實驗方式在物理教學(xué)中的應(yīng)用，其有效性體現(xiàn)在能夠輔助實驗過程并快速獲取實驗結(jié)果，減輕大量數(shù)據(jù)計算以及實驗過程中復(fù)雜圖像分析的負(fù)擔(dān)，幫助學(xué)生擺脫原有的復(fù)雜計算工作，比如數(shù)據(jù)記錄和讀取以及公式操作等。［4］學(xué)生需要深入理解實驗，要知道計算機為什么這樣處理數(shù)據(jù)，并加強圖像的處理能力。因此，基于傳感器的物理實驗對學(xué)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(tǒng)的軟件操作，對學(xué)生的要求不僅限于課本內(nèi)容，還要拓展到與課程相關(guān)的信息技術(shù)領(lǐng)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(jié)內(nèi)容為例，本節(jié)內(nèi)容需要解決的物理核心內(nèi)容有：一是了解電容器的主要結(jié)構(gòu)，對市面上經(jīng)常出現(xiàn)的電容器有所認(rèn)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(xué)本質(zhì)有所認(rèn)識；三是借助比值定義法完成定義電容的任務(wù)，對電容所對應(yīng)的物理意義有所認(rèn)識；四是對影響電容的主要因素加以探究，從而使得學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情得到提升。本節(jié)的主要內(nèi)容是基于對電容器充放電過程的分析，認(rèn)識到充電過程是電能轉(zhuǎn)化成電場能的過程，放電過程是電場能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程；難點在于如何通過實驗數(shù)據(jù)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(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》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(xué)生只能觀察到充放電過程的電流變化且時間很短，學(xué)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(yù)期的教學(xué)效果。在探究電容大小決定因素的分組實驗中，學(xué)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(huán)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(xué)生現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)難以在短時間內(nèi)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(xué)生往往無法區(qū)分靜電計與驗電器的作用，因此教師需要在這一點上向?qū)W生拓展較多的內(nèi)容。

本部分內(nèi)容以物理核心素養(yǎng)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(xué)生經(jīng)歷電容器充放電的科學(xué)探究過程，理解比值定義法和類比法；其次，讓學(xué)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(biāo)，對本節(jié)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(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)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(xué)生電源（可以改變電源電動勢E）。

第二步，開關(guān)接1：給電容器充電，二極管D4發(fā)亮，電流的變化如圖4所示。

第三步，開關(guān)接2：電容器放電，二極管D1發(fā)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(jié)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(jié)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(shù)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(shù)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(shù)以及極板正對面積等的關(guān)系：正對面積減小，電容C減?。粌砂彘g距離增大，電容C減??；放入電介質(zhì)，電容C增大。

2.2"對實驗原理的拓展

學(xué)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(xiàn)象分析原理是物理學(xué)科的基本素養(yǎng)，所以結(jié)合理論分析圖7和圖8，讓學(xué)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(zhuǎn)化為電場能，放電過程是電場能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。

2.3"對實驗?zāi)康牡耐卣?/p>

本課程內(nèi)容的難點是通過實驗得出電容C＝Q/U，學(xué)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(guān)？

猜想：與電容器兩端的電壓U有關(guān)。

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(guān)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(shù)據(jù)呢？

基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》，粵教版新教材設(shè)計的實驗方法是：根據(jù)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(shù)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(yīng)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(fù)五次實驗，共得到六組數(shù)據(jù)（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(fù)以上實驗操作，得到六組數(shù)據(jù)（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(guān)系的實驗還可以采用以下方法（見圖11）完成。首先，讓開關(guān)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(lián)，開關(guān)接2時電容器C1就會將其一半的電荷量轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)當(dāng)電容器C1的電荷量減半時其兩端電壓也相應(yīng)減半；最后，閉合開關(guān)，釋放電容器C2的電荷量，斷開開關(guān)后，再次讓開關(guān)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(fù)以上操作并記錄數(shù)據(jù)（見表3）。

對本次實驗的結(jié)論加以總結(jié)：電容器的電荷量Q與電壓U之間的關(guān)系是正比關(guān)系，具體比值為常數(shù)，當(dāng)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(xiàn)電容器的特性，在物理學(xué)中也將該物理量稱作電容，符號為C。

3"結(jié)語

教學(xué)工作中不可缺少的一項內(nèi)容是教學(xué)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(xué)理念是否具有先進性還未可知）。確保課程與技術(shù)有效結(jié)合，其本質(zhì)便是教育理念與技術(shù)手段的結(jié)合。［5］因此，教師在組織學(xué)生開展教學(xué)活動時，不應(yīng)只將關(guān)注點放到教學(xué)方式的先進性上，也需要對教學(xué)理念的變化給予重視，并且對教學(xué)過程加以關(guān)注。以傳感器為基礎(chǔ)的物理實驗的拓展體現(xiàn)了先進的教學(xué)思想，其合理應(yīng)用本身就要求對傳統(tǒng)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(chuàng)性、反思性、協(xié)作性的教育理念和教育新模式來替代。

參考文獻

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