《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确提出“注重科学探究，倡导教学方式多样化”，指出教师要注重灵活选用教学方式，合理运用信息技术
［1］。物理教师在教学实践中要重视探究教学，通过科学合理地设计学生探究活动，提高学生的科学探究能力，从而达成培养学生核心素养的目标。在实验探究活动设计时会用到控制变量法、转换法、建模法、理想实验法等研究物理问题的方法。在初中物理实验教学中，转换法在很多探究实验中经常用到，因为利用转换法可以在保证效果相同的前提下，将一些看不见摸不着的物理现象、不易观察的物理过程或不易直接测量的物理量，转换成另一种具有可见性或可测性的形式呈现出来
［2］。
笔者发现转换法对培养学生的思维还是存在一些弊端：学生在设计或者实施探究活动时，需要将“无形”不可见、不易见或者不易测的物理量用“有形”常见、可见或者易测的物理量呈现出来。这需要学生有一定的生活经验和相应的能力，这对初中学生来说有一定的难度。根据探究实验教学的现状，将基于传感器技术的DIS数字实验引入初中物理实验，有助于改进上述弊端。
1 利用传感器优化涉及转换法探究实验的策略
在探究实验中引入DIS技术，可以优化实验教学的设计，特别是对于部分需要转换法设计的实验，可以利用DIS数字实验设备将实验现象变为可见可分析的数据，帮助学生认识物理现象，建立物理观念；对暂态现象进行捕捉和处理，让学生对物理现象或者物理过程有正确完整的认识。
1.1 利用传感器优化涉及转换法探究实验的基本原则
初中物理实验教学现行人教版教材旨在培养学生实验设计、动手操作、数据收集及处理方面的能力，兼顾了各类学校实验器材配置情况和学生心智发展水平，部分实验特别是探究实验采用了转换法的设计思路，便于实验教学的组织和开展。在利用传感器优化探究实验时需要坚持以下3个原则。
（1） 结合性原则。对探究实验的优化不是排斥传统实验，而是根据教学实践中暴露出来的传统实验需要改进的地方，选择合适的DIS实验装置进行有针对性的优化。因此教师需要在传统实验的基础上进行二次设计，达到传统实验思路、器材、方法与DIS实验的完美结合。
（2） 经济性原则。目前初中DIS实验设备分为两种，一种为专用数字探究实验装备，另一种为生产生活中使用的工业级或民用级传感类仪器。前者为成套实验设备，包括温度、静力、磁、电流、电压、电阻、光、位移等传感器和采集器以及专业软件。后者为用于工业生产或者生活中的仪器仪表，例如数显测力计、电子欧姆表、压差表、数显功率表、电子温度计（红外线、热电偶及双金属片）等。在利用传感器优化探究实验时要充分考虑学校实际情况，选择性价比较高的DIS实验器材。
（3） 可推广性原则。利用传感器优化传统探究实验的目的在于推广，通过梳理现有实验筛选出需要或者可以改进的实验，选择合适的DIS器材，在实验室进行试验，并在教学实践中不断验证和修改，进一步优化形成有特色的实验方案，进行推广实践，从而推动各学科教学和信息技术手段的深度融合，促进教育教学的信息化改进。
1.2 利用传感器优化涉及转换法探究实验的主要步骤
利用传感器优化转换法探究实验有3个主要步骤。
（1） 选择。初中物理实验包括演示实验、学生必做实验、小实验和课外实验等，将其中的探究实验梳理出来，并把其中涉及转换法的实验筛选出来。再从现有的DIS实验设备中遴选相对应的实验器材，应尽可能选择性价比高的器材，以利于后期的应用和推广。
（2） 试验。在前期选择的基础上，要进行试验、试改和试教。试验指在实验室利用DIS实验器材进行实验，看器材能不能满足教学，能不能达到优化的目的。试改指结合传统实验对实验方案进行二次设计，确保传统实验和DIS实验在教学中充分融合。试教是在一定准备的基础上，在课堂教学中进行初步实践，并根据暴露出来的设计或者器材的问题，提出改进的思路，以便形成较为成熟的方案。
（3） 成型。结合校情、班情，需要对实验方案进行一轮教学实践活动，主要从2个方面去探索：看大多数教师是否适应该方案，看还有没有更为合理的设计方案。通过这轮教学实践，形成应用DIS实验优化初中物理实验教学的特色方案并进行推广。
1.3 利用传感器优化涉及转换法探究实验的具体方法
图1是利用传感器优化涉及转换法探究实验的流程，其具体实施步骤和方法。
2 利用传感器优化涉及转换法探究实验的实例
转换法在初中物理实验中的主要作用是将不易观察、不易测量的物理现象或者物理量变得易观察、易测量。有些实验在应用转换法时会增加学生思维和操作的难度。如果使用DIS实验器材，并结合传统实验器材对实验进行重新设计，就能够避开转换法的设计进行直接测量或者观察。通过教学实践，利用传感器优化转换法探究实验有如下优点。
2.1 变粗略观察为直观测量
【实例1】影响导体电阻大小因素的实验改进探究。
“影响电阻大小的因素”是人教版物理九年级教材第十六章中的演示实验，教材要求学生在猜想的基础上探究导体电阻的大小与材料、长度、横截面积等因素的关系。实验设计采用控制变量法和转换法的思路，根据人教版教材中实验实物连接图选择相对应的实验器材连接电路，在实验过程中，往往会在电路中串联一只灯泡，通过观察灯泡亮度及电流表示数来判断不同导线电阻的大小。
在实际教学中，会发现由于电流表的测量精度及导线电阻率的问题，实验效果并不明显。特别是探究导体电阻大小与材料的关系时，我们选择长度和横截面积相同的锰铜丝和铁丝、镍铬合金丝进行对比实验，在电路中分别接入锰铜丝和铁丝时观察到灯泡亮度、电流表示数基本无差别。
【优化思路】用可直接测量电阻值的电子欧姆表测出锰铜丝和铁丝、镍铬合金丝的电阻值，用真实的数据引导学生分析，从而确定影响电阻大小的因素。选择量程为2 Ω，精确度为0.01 Ω的传感器式电子欧姆表对不同导线的电阻进行测量，从而直接测量出导线的电阻值。
2.2 变不易观察为容易观察
【实例2】研究磁场的分布情况。
该实验是人教版物理九年级教材第二十章第一节“磁现象 磁场”中的演示实验。教材通过在条形磁体周围放置小磁针，观察小磁针指向来研究磁场的分布情况。
教材通过磁体周围小磁针北极指向（可见）帮助学生建立磁场概念（不可见），帮助学生形成磁场的感性认识。但是，磁场是看不见摸不着的，学生对磁场分布的认识由于空间想象能力不丰富，建立磁场概念时存在一定的难度。
【优化思路】为提高演示实验的效果，使用磁感应强度传感器沿着条形磁体周围采集磁感应强度数据，用数据帮助学生认识磁场的分布情况。学生可以通过数据的变化看到磁体中间磁性较弱，两端磁性较强。
2.3 变不易测量为容易测量
【实例3】探究浮力大小与排开液体重力之间的关系。
该实验是人教版物理八年级下册第十章第二节“阿基米德原理”的演示实验，一共有4个步骤，分别是测出物体重力G物、物体浸入液体后测力计示数F、小桶的重力G桶、排开的水和小桶的总重力G总。利用实验数据计算出F浮与G排并比较，从而得出阿基米德原理。
此实验操作步骤因烦冗导致实验时间较长，同时液体表面张力对实验结果有影响，导致实验有一定的误差，实验效果不太理想。
【优化思路】采用2只电子测力计和升降台进行实验，一只电子测力计测量浮力（物体重力G物减去物体浸入液体后测力计示数为F），一只电子测力计测量G排（排开的水和小桶的总重力G总减去小桶的重力G桶）。
实验前，将物体和空小桶分别挂在弹簧测力计上并调零。然后缓慢调节升降台，让物体逐渐浸入水中，观察2只测力计的数据并记录下来。实验装置如
图2所示。
改变悬挂物体的数量，3次实验中采集到的数据如
表1所示。从
表1可知，浮力大小
F浮等于排开液体的重力
G排。
2.4 变粗略测量为精确测量
【实例4】利用压差表研究液体内部压强。
“研究液体内部的压强”是人教版物理八年级下册第九章第二节的一个演示实验。课本中采用微小压强计进行实验，将蒙有橡皮膜的探头伸入液体中，探头通过乳胶管与U形管一端相连，通过观察U形管左右两液面高度差知道探头所受压强的大小，从而探究液体内部压强特点。
该实验用教材所示方式处理，收集到的实验数据存在以下问题：①U形管后刻度板分度值为1 cm，读数时误差较大；②实验中如果选择两种密度相差不大的液体（如水和盐水）进行对比实验，相同深度时U形管两液柱高度差不大。最终只能得出定性结论：液体内部压强与液体的密度、深度有关，与方向无关。
【优化思路】压差表的工作原理是用传感器测量出正负两个气口压强差值，和微小压强计的工作原理基本相同，但是可以精确测出橡皮膜在液体不同深度的压强值。
利用压差表，结合传统实验器材进行实验装置改装，去掉U形管后将乳胶管接到压差表正气口，如
图3所示。利用该实验器材，可采集到探头在不同液体内相同深度时的压强数据，以及相同深度时探头方向不同的压强数据，然后对数据进行分析得出液体压强与液体深度和密度成正比，与探头方向无关，为后面建立液柱模型推导得出液体压强计算公式提供有力支持。
3 结语
利用DIS实验器材优化现有探究实验，不是否定现有探究实验，而是开展DIS数字实验改进。应基于现有教材的实验设计，结合现有的实验器材，进行创新性设计，让学生体会科技进步为生活、学习和工作带来的便利，如生活中常见的红外线传感（额温计）、静力传感（数字测力计）、流体流速传感（压差表）、位移传感（手机计步装置）等，提升学生的核心素养。
当然，DIS实验器材还可以应用在跨学科实践活动、课外实验等更多的领域，值得一线教师积极探索。
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