一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）指由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+軟件包+計算機(jī)”構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時，傳感器可獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)采集器;采集器對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳輸給計算機(jī);實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后以數(shù)值、曲線、圖表等不同的方式呈現(xiàn)，教師和學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理^[1]。

（一）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程“可視化”、實(shí)驗(yàn)設(shè)計“重點(diǎn)化”、數(shù)據(jù)采集與處理“智能化”、教學(xué)過程“現(xiàn)代化”。

1.實(shí)驗(yàn)過程“可視化”

實(shí)驗(yàn)過程包括時間和空間兩個維度。實(shí)驗(yàn)者通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這兩個維度的可視性。例如，對于電容器的充、放電過程，碰撞過程中的沖力變化等瞬時過程，實(shí)驗(yàn)者利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)瞬間變化的“可視化”。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計“重點(diǎn)化”

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依靠傳感器采集數(shù)據(jù)，借助計算機(jī)軟件記錄和處理數(shù)據(jù)，可使得學(xué)生免去大量運(yùn)算過程，避免手工作圖的煩瑣和誤差。學(xué)生節(jié)省出來的時間和精力可以更多地用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計，用于合作探究，用于數(shù)據(jù)分析，用于驗(yàn)證與修改假設(shè)，而這些正是理解物理概念、掌握客觀規(guī)律所必要的。

3.數(shù)據(jù)采集“智能化”

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器可以同時接入多個相同的或不同的傳感器，同時采集多種相同或不同種類的物理量。例如，在彈簧振子的振動實(shí)驗(yàn)中，教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以同時采集彈簧振子運(yùn)動過程中速度、位移、加速度、回復(fù)力數(shù)據(jù)，并通過圖像展示在學(xué)生面前，從而幫助學(xué)生獲得直接的觀察經(jīng)驗(yàn)。

4.教學(xué)過程“現(xiàn)代化”

開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時，教師可以直接調(diào)用設(shè)計好的實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，也可以根?jù)需要設(shè)計個性化的實(shí)驗(yàn)?zāi)０?。在?shù)據(jù)處理過程中，教師可以進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、積分運(yùn)算，幫助學(xué)生找出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，認(rèn)識物理規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可以創(chuàng)建電子版報告，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和完善。

5.實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合

無論實(shí)驗(yàn)設(shè)計，還是器材的安裝，DIS實(shí)驗(yàn)都是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。盡管數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中用傳感器替代了部分測量儀器，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系并沒有“斷層”。將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備合理利用在DIS實(shí)驗(yàn)中，可提高實(shí)驗(yàn)的精度和可信度。

（二）DIS實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及對策

數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材有很大的優(yōu)勢，但在軟硬件方面也存在一些不足和問題，給實(shí)驗(yàn)操作帶來不便，甚至是困擾。

1.軟件兼容問題及對策

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由硬件和配套軟件構(gòu)成，軟件與產(chǎn)品出廠時市面上的電腦操作系統(tǒng)相匹配，但隨著電腦系統(tǒng)逐漸更新，軟件也要更新。學(xué)校要與生產(chǎn)廠家保持聯(lián)系，索要系統(tǒng)更新后對應(yīng)的軟件包，但更新后的軟件往往會與新系統(tǒng)不兼容。

應(yīng)對策略：在實(shí)驗(yàn)室或特定電腦中安裝兼容性最好的操作系統(tǒng)，專做DIS實(shí)驗(yàn)。

2.數(shù)據(jù)讀取問題及對策

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作中，無論用什么儀器讀數(shù)，精度都有一定的規(guī)則，因此只要按照規(guī)則去取小數(shù)位就好。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是借助傳感器采集數(shù)據(jù)，所以在測量的位數(shù)取舍上沒了約束，數(shù)據(jù)讀取的誤差也無從分析。

應(yīng)對策略：有選擇性地使用DIS實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材配合使用。練習(xí)讀取數(shù)據(jù)時用傳統(tǒng)器材，在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)時用DIS實(shí)驗(yàn)。

3.數(shù)據(jù)導(dǎo)出問題及對策

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在特定軟件的支持下運(yùn)行的，用其采集數(shù)據(jù)和描繪圖像十分方便。然而，這些數(shù)據(jù)和圖像只能在特定軟件環(huán)境下再次打開。顯然，數(shù)據(jù)導(dǎo)出和分享存在一定的局限性。

應(yīng)對策略：利用截圖軟件，獲取重要圖像數(shù)據(jù)。配合使用Excel軟件，輔助記錄和處理數(shù)據(jù)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于物理教學(xué)，改進(jìn)了教與學(xué)的方式，在提升學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力方面優(yōu)勢明顯。然而，在使用過程中教師也遇到種種問題和困惑，還需要潛心鉆研，不斷嘗試，努力將傳感器實(shí)驗(yàn)用于日常教學(xué)，讓學(xué)生體驗(yàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的魅力。

二、DIS實(shí)驗(yàn)案例

經(jīng)過大量的DIS研究和實(shí)際操作，筆者總結(jié)了一套實(shí)驗(yàn)的操作流程，命名為“傳感器實(shí)驗(yàn)六步法”。無論是教師演示實(shí)驗(yàn)，還是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，按此六步進(jìn)行，都可以取得較為滿意的效果。此處，以用伏安法測電源的電動勢與內(nèi)阻、研究光敏電阻的特性曲線兩個實(shí)驗(yàn)為例，說明DIS實(shí)驗(yàn)操作的一般流程與方法。

（一）用伏安法測電源的電動勢與內(nèi)阻（例1）

實(shí)驗(yàn)器材：計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器、電壓傳感器、干電池、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。

實(shí)驗(yàn)原理：由閉合電路歐姆定律=+可知，通過路端電壓和總電流的多組測量值，即可求出電動勢和電源內(nèi)阻。

實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1.選擇傳感器，設(shè)計實(shí)驗(yàn)

類比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用伏安法測電源的電動勢與內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路圖（如圖1），分別用電壓傳感器與電流傳感器代替電壓表和電流表，很快設(shè)計出DIS的實(shí)驗(yàn)電路（如圖2）。

2.安裝傳感器及其配件

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖，連接實(shí)物。

3.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)時顯示測量進(jìn)程

首先，將滑動變阻器電阻調(diào)到最大處，然后接通閉合電鍵。將軟件的采樣設(shè)置為“按點(diǎn)采樣”，當(dāng)滑動變阻器接入電路中不同的電阻時，可以獲取不同的電壓與電流值，并將采集的數(shù)據(jù)顯示出來（如圖3）。

4.采樣數(shù)據(jù)，擬合圖像

將實(shí)驗(yàn)采集到的離散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，獲得一條擬合直線，直線的截距即為電動勢，斜率即為電源的內(nèi)阻。

5.分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論

電源的電動勢為2.5 V，內(nèi)阻為1.6512 Ω。

6.保存數(shù)據(jù)，書寫報告

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生保存實(shí)驗(yàn)中的重要圖像，然后點(diǎn)擊DIS-lab實(shí)驗(yàn)運(yùn)行平臺的保存按鈕，將實(shí)驗(yàn)按“日期+實(shí)驗(yàn)名稱+實(shí)驗(yàn)者”的格式命名保存。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告并打印上交。

此實(shí)驗(yàn)中，電流傳感器和電壓傳感器配合使用，代替電流表和電壓表，功效優(yōu)越——數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確且數(shù)據(jù)處理迅速。從數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布可以直觀地看出物理量的一次關(guān)系。應(yīng)用軟件的擬合功能，可以很好地擬合出一條直線，并顯示出直線圖像對應(yīng)的解析式，進(jìn)而從中直接得到電源的電動勢和內(nèi)阻。相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)讀取、記錄，以及在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)、作圖來說，效率大大提高。

（二）研究光敏電阻的特性曲線（例2）

傳感器是將不容易測量的非電信號轉(zhuǎn)化為容易測量電信號的器件，傳感器的核心元件是其中的敏感元件。常用的敏感元件有壓敏電阻、熱敏電阻和光敏電阻。

傳統(tǒng)教學(xué)中，如果要研究光敏電阻的特性，需要測量光照度，而實(shí)驗(yàn)室一般沒有測量光照的器材。利用DIS-lab系統(tǒng)測光強(qiáng)非常方便，也可以在課堂上將電阻的特性規(guī)律展示出來。

實(shí)驗(yàn)器材：光敏電阻、臺燈、多用電表、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過程如下。

首先，教師向?qū)W生演示生活中應(yīng)用傳感器的例子，比如聲控的電子蠟燭和聲控?zé)簟Ｍㄟ^上述演示實(shí)驗(yàn)將學(xué)生帶入情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，順勢引出傳感器的定義和原理。

1.選擇傳感器，設(shè)計實(shí)驗(yàn)

教師讓學(xué)生思考測繪光敏特性曲線需要何種傳感器，并以小組形式討論設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，測量電阻可以用多用電表，測量光照度可以用光傳感器，通過改變環(huán)境光照度，可以得到不同光照度下的電阻值，同時利用電腦軟件可以得到光照度與電阻的特性曲線。

2.安裝傳感器及其配件

學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)的要求安裝好光傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，準(zhǔn)備好臺燈、多用電表、光敏電阻（如圖4）。

3.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)時顯示測量進(jìn)程

環(huán)境光強(qiáng)可通過控制窗簾和臺燈來改變。師生在窗簾全閉、開一個窗簾、開兩個窗簾、開臺燈近光、開臺燈遠(yuǎn)光這幾種情況下測量電阻，得到所需的光照度和電阻數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖5）。

4.采集數(shù)據(jù)，擬合圖像

每改變一次光照度，就用多用表的歐姆檔測量一次電阻，并用數(shù)字傳感器測量一次光強(qiáng)，將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入Excel表格中。

教師讓學(xué)生思考如何分析電阻與光照度的關(guān)系，即思考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法。學(xué)生利用計算表格的繪圖功能得到光敏電阻的電阻值隨光強(qiáng)的變化曲線。

5.分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論

由光敏電阻的光照特性曲線可知：當(dāng)光照度很小時，光敏電阻的電阻非常大;當(dāng)光照度很大時，光敏電阻很小;當(dāng)光照度增加時，光敏電阻會隨光照度的增加而急劇地減小。教師借助圖像將光敏特性直觀形象、簡潔地展示出來。

6.保存數(shù)據(jù)，書寫報告

學(xué)生點(diǎn)擊DIS-lab實(shí)驗(yàn)運(yùn)行平臺的保存按鈕，將實(shí)驗(yàn)按“日期+實(shí)驗(yàn)名稱+實(shí)驗(yàn)者”的格式命名保存。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告，打印上交。

在日常生活中，傳感器的應(yīng)用也是很普遍的，例如聲控?zé)衾锞陀新暶綦娮韬凸饷綦娮?，電飯鍋里就有溫敏電阻。然而，密切?lián)系生活的實(shí)驗(yàn)很少出現(xiàn)在物理課堂上。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的可視化，縮短了實(shí)驗(yàn)時間，趣味性和可探究性都有所提高，這正是物理課堂所需要的。

三、傳感器實(shí)驗(yàn)六步法的理論總結(jié)

具體步驟與方法如下。

第一步，選擇傳感器，設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇合適的傳感器，做好實(shí)驗(yàn)的設(shè)計方案，使用傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并畫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計圖。

第二步，安裝傳感器及其配件。

先根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計圖，按照實(shí)驗(yàn)要求安裝好實(shí)驗(yàn)器材、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，再打開DIS-lab軟件，進(jìn)入通用界面，對傳感器窗口進(jìn)行調(diào)零，確保傳感器及其配件工作正常。

第三步，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)時顯示測量進(jìn)程。

先打開軟件數(shù)據(jù)采集開關(guān)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再通過顯示器實(shí)時顯示測量進(jìn)程，對出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析、處理。

第四步，采集數(shù)據(jù)，擬合圖像。

應(yīng)用DIS軟件的數(shù)據(jù)記錄和處理功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄和圖像擬合一體化。系統(tǒng)直接獲得的數(shù)據(jù)往往以散點(diǎn)圖的形式顯示，有時不能直觀呈現(xiàn)物理量間的關(guān)系。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像擬合，就可以直觀顯示一次關(guān)系、指數(shù)關(guān)系、反比例關(guān)系等。

數(shù)據(jù)的整理有三種形式：針對一次實(shí)驗(yàn)全部數(shù)據(jù)的采集和擬合、針對一次實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集和擬合、針對多次實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集和擬合。師生根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求來選擇。

第五步，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合圖像分析討論，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

第六步，保存數(shù)據(jù)，書寫報告。

教師指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告并打印上交。主要做好三件事：一是保存實(shí)驗(yàn)設(shè)置，便于以后進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)時調(diào)用;二是保存計算表格，在表格中添加一個備注，用來記錄實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)條件和重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等;三是利用截屏技術(shù)存儲重要實(shí)驗(yàn)圖片。

物理實(shí)驗(yàn)不僅是物理教學(xué)的重要手段和方法，而且是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)和重要內(nèi)容。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于物理教學(xué)，是對教學(xué)手段的改進(jìn)。學(xué)習(xí)者只有從數(shù)據(jù)讀取、記錄、公式運(yùn)算和圖像描繪等繁雜的簡單勞動中解脫出來，才有時間和精力對物理現(xiàn)象進(jìn)行深度感知、探究和思考。筆者總結(jié)出的“傳感器實(shí)驗(yàn)六步法”，為教師使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)物理教學(xué)提供了參考。

注：本文系河北省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“高中物理教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的策略研究”（1704094）項(xiàng)目研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李彥清，高嵩.基于DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的平拋運(yùn)動教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)，2016（11）：28-30.

（作者王剛系河北省邯鄲市教育科學(xué)研究所教研員、高級教師;楊天照系河北省邯鄲市第一中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志