物理是一门以实验为基础的自然科学课程。从认识论的观点来看，实验是一种经验认知方式，初中学生对事物的认识主要以感性认识为主，所以初中物理教学要以实验为基础，这样能引导学生从观察和测量中认识物理现象和过程，找到物理现象的特征以及现象产生的条件，加深对所学知识的认同和理解
［1］。
1 实验教学目标及现状
1.1 实验教学培养目标
物理实验教学的目标不应只是为了传授知识和培养能力，还应该发挥实验的育人功能，即落脚在核心素养的培养上。实验教学的培养目标主要体现在如下方面。
（1） 培养学生的实验能力。
物理实验能力包括学生在实验中的观察、操作、思维、数据处理和设计能力。具体来说，需要培养学生观察的全面性、准确性与深刻性；提升其在仪器组装、调试、故障排除及操作协调方面的熟练度与规范性；引导其在进行思维活动时兼顾对象的全面性、过程的连贯性与思路的跳跃性；加强其对数据的分析归纳能力，包括对错误数据的甄别与误差的合理处理；发展其在实验方案优选、表格设计及器材改进与设计方面的能力
［2］。
（2） 学习物理思想方法和科学研究方法。
学生在实验中经历“科学家”的研究过程，可以学习物理思想方法，包括定标、转化、等效、守恒、对称、可逆、假说、相对和累积等
［3］。同时，经历科学探究基本流程，会用转换法、控制变量法、理想实验法、类比法、等效替代法等科学研究方法设计并研究相关物理现象。
（3） 培养学生对物理学科的学习兴趣。
通过实验，帮助学生建立物理学习自信，激发学习物理的兴趣和动力，有助于培养学生健全的人格和良好的意志品质。
（4） 培养学生严谨的科学态度和科学作风。
通过实验，培养学生实事求是、严谨认真、持之以恒、勇于承认错误的实验品质，促其放弃和修正不正确观念、不迷信权威、主动发表自己见解的科学作风，以及遵守伦理道德的社会责任感。
1.2 实验教学作用及现状
在初中阶段，物理教师要重视实验在教学中的作用，按照认识论和初中学生的心智特点，有意识地将自然界中的现象以实验形式加以重现，以期让学生从感性认识进阶到理性思考，再回归到生活实践中去检验和应用，最终有助于学生构建物理观念、提升科学思维、主动进行科学探究、形成科学态度与社会责任，即通过实验教学落实物理核心素养的培育目标。
部分现行部编初中物理教材中的实验设计，结合了学科特点与教学实际，设计了课堂演示、学生实验、小制作及课后实践等多种形式。多年的教学实践证明，这些实验能较好完成教学目标，科学合理地促进学生核心素养的养成。但仍有部分实验存在以下问题：操作不合理；有一定安全隐患；现象不够明显；实验有明显误差；实验数据只能得出定性结论，无法有效引导学生进行定量分析；无法直接研究相关物理量，限制了学生高阶思维的训练和培养。
2 传感器技术与实验改进
2.1 传感器技术
随着科学技术的不断发展，传感器技术、虚拟实验技术和AI、AR等现代信息技术手段逐渐成熟并不断向教学领域渗透和延伸，给予了初中物理实验新的研究方向。为此，《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出：教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融入物理教学，创新教学方式，提升教学效率
［4］。
在教学中应用传感器技术，可以将其作为一种检测装置，即将被测量的信息（包括力、热、光、声、电、磁、浓度等），按照一定的规律转换成电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。对于初中物理实验教学来说，可以将不易测量或变化较小的量精准测量出来，通过数字化手段储存并显示，便于处理和分析实验数据。这一举措对于培养学生的实验探究能力、拓展学生的逻辑思维有重要的作用。
2.2 利用传感器技术改进实验方法
为充分发挥实验教学的作用，在初中物理教学实践中结合传感器技术、校情与学情改进传统实验，主要有以下几个步骤（
图1）。
（1） 现有实验的梳理。对现有传统实验而言，应从仪器准备、实验原理、实验操作、实验精度、实验数据处理等几个方面进行分析，从中找出器材准备烦琐、组装要求较高、操作有一定难度、可能有安全风险、仪器测量精度不高的实验，以便进行实验改进和创新研究。
（2） 传感器设备的遴选。需要根据学校实验装备投入能力选择相应的传感器实验设备，即：有能力的学校可以建立DIS探究实验室，而一般农村学校可以购置相应的工业级传感器测量仪器。
（3） 实验的二次设计。根据实验目标和传感器设备，选择学生生活中常见的物品或器材，对实验进行二次设计。在设计时，需要注重改进与创新的有效结合，确保实验效果明显，实验数据易于分析和理解，实验操作方便且安全。
（4） 实验室实验。对改进后的实验进行反复对比试验，确保达到实验的可重复性和稳定性要求。对于无法保证实验效果的实验，需要重新设计，并再次验证。
（5） 教学实践和推广。在实验室实验的基础上，将改进后的实验应用于教学中，并与传统实验进行比较，不仅进一步优化实验设计，达成推广和应用目标，而且让师生体会到现代科技给初中物理实验带来的便利，并促进教师积极创新研究初中物理实验，以实现数字化目标。
3 利用传感器技术改进实验教学的案例
在利用传感器技术改进初中物理传统实验时，要注意选择生活中的常见物体或者器材，以契合初中学生的认知特点。以下教学案例是利用生活中常见的注射器，并运用工业级传感器或者传感器实验套装，对传统实验进行的创新性改进实例。
3.1 案例一：做功改变物体内能实验——让实验容易操作
（1） 教材分析。
人教版高中物理选择性必修第三册在“做功可以改变物体内能”章节中设计了两个实验：如
图2-a所示，利用压力引火仪演示对物体（厚壁玻璃筒中的空气）做功，物体内能增加，温度升高（空气温度达到或者超过硝化棉燃点，硝化棉燃烧）；如
图2-b所示，利用打气筒向烧瓶内打气，瓶内气体对外（瓶塞）做功，内能较小，温度降低（瓶内空气中水蒸气液化出现白雾）。
（2） 实验改进点。
实验方法：以上实验现象虽然明显，但是不能在物态和质量不变时，用温度变化直观反映物体内能改变。
实验准备：①用两个实验完成对气体做功及气体对外做功，所需器材多，安装不方便；②涉及玻璃器材，需轻拿轻放，并且还要检查乳胶管安装后的气密性。
实验操作：①针对空气压缩引火仪，教师需要迅速下压活塞，以达到硝化棉的燃点。实验的力度不容易掌控，用力过猛，易导致厚玻璃筒炸裂，存在一定安全隐患；用力过轻，硝化棉不会燃烧。②在烧瓶实验中，当瓶塞带着玻璃管和乳胶管冲出时，教师要及时接住，否则易摔碎。
实验现象反馈：①在实验1中，硝化棉燃烧时间较短，会产生一定气味性烟雾，对环境有一定污染；②在实验2中，烧瓶中出现的白雾时间短且不明显。
（3） 实验创新设计。
实验器材：数字温度计（热电偶铂铑合金温度计）、注射器（300 mL，兽用）。
实验步骤：①将数字温度计探头用玻璃胶固定在注射器乳头处，并用热熔枪将乳头封闭；在注射器活塞处涂上医用凡士林。②用数字温度计测量环境温度。③用戴有厚棉布手套的手握住注射器针筒，另一只手用力推注射器活塞，观察数字温度计示数（
图3）。当看到示数上升时，说明活塞对针筒内空气做功，筒内空气温度升高，内能增加。④松开活塞，活塞向外运动，观察到示数下降，说明针筒内空气对活塞做功，内能减小，温度降低。
（4） 改进优点。
①响应快，读数准：金属探头灵敏性更好，数字温度计读数快且数据精准。针筒容积大，在对针筒内空气做功时，温度变化更明显。②易观察，易理解：用看得见的温度反映看不见的内能变化，突破做功改变物体内能的难点。③易操作：用活塞涂抹凡士林后，减小了摩擦力，易推动，师生均可操作，且将两个实验合二为一。④安全环保：没有玻璃制品，全过程安全性极高。
3.2 案例二：估测大气压的值——让数据变得准确
（1） 教材分析。
本实验是苏科版物理八年级下册第十章第三节“气体的压强”中的学生活动。教材要求准备2 mL的注射器、弹簧测力计和刻度尺等器材。
实验步骤：将注射器活塞推到底部，用橡皮帽封住小孔；用细绳的一端拴住活塞颈部一端连到弹簧测力计挂钩上，水平缓慢拉动注射器筒，记下活塞开始滑动时测力计的示数；用刻度尺测出注射器刻度部分的长度，计算出活塞横截面积，并根据压强公式计算出此时大气压值。
（2） 实验改进点。
①实验未考虑测力计自重对实验的影响，导致实验中出现了一个向下的分力，则实验数据出现一定的误差；②未有效减小针筒内残留的空气（主要是针筒乳头处的空气）对实验的影响，可能导致测量结果偏小；③未考虑活塞与针筒摩擦对实验的影响，可能导致测量结果偏大；④学生需要在活塞开始滑动时记录测力计的示数，实际操作有一定难度。
（3） 实验创新设计。
实验器材：传感器实验套装中静力传感器和定滑轮。
实验步骤：①用细线拴住注射器颈部，使线的另一端和测力计挂钩相连，水平匀速拉动针筒，记下测力计的示数（实验数据中稳定的数值），这就是注射器的活塞和筒壁的滑动摩擦力f；②向注射器中注满水，慢慢推动活塞将水排出，当活塞推到针筒底部时用橡皮帽封住注射器乳头；③将细线的一端和测力计挂钩相连，水平向右慢慢拉动注射器筒，当注射器的活塞开始滑动时，记下测力计的示数F（实验数据中出现的最大值）；④用刻度尺测出注射器刻度部分的长度l，再用注射器的体积V除以长度l，得出活塞的横截面积S；⑤用公式P=，即可计算出此时大气压的数值。
（4） 改进优点。
实验改进的最大优点是尽量减小实验误差，提高实验数据准确性，确保测量结果的可靠度。表现为：①利用静力传感器测量压力和摩擦力，提高了实验的精度；②利用定滑轮改变力的方向的特点，将测力计由水平放置变为竖直放置，避免了测力计自重对实验的影响；③增加利用二力平衡知识测量摩擦力的步骤，注重学生思维能力的培养，可减小误差；④传感器可实时连续采集并存储数据，学生不必在实验时观察注射器活塞开始滑动时的测力计示数，只需要提取存储数据中力的最大值，即可计算出大气压力值，非常方便学生的操作。
3.3 案例三：测量液体的密度——让实验变得简单
（1） 教材分析。
“测量盐水的密度”是人教版物理八年级上册第六章第三节的学生实验。该实验为新课标课程内容中一级主题“实验探究”中的一个测量类学生必做实验。学生通过利用天平和量筒依次测出杯和盐水质量、杯和剩余盐水质量、量筒中盐水的体积，从而测出量筒中盐水的质量和体积，再利用密度公式，即可计算出盐水的密度。实验除了要求学生熟练掌握天平和量筒的使用方法外，还需要指导学生设计科学的实验方案，以减小误差。
（2） 实验改进点。
①实验所用量筒为玻璃器材，易出现破损，有一定的安全隐患；②实验所用盐水对配制有一定要求，即盐水密度不低于水的密度的1.1倍。如果盐水密度只是略大于水的密度，那么受误差影响，盐水密度可能等于水的密度；③学生在实验时需要配制较多盐水，而实验结束后产生废液较多，不利于环境保护，必然有一定的浪费。
（3） 实验创新设计。
实验器材：配制好的盐水，50 mL注射器（带堵头，无针头），数字测力计。
实验步骤：①将细线系在注射器颈部，排出针筒内空气，装好堵头；②用数字测力计测出注射器重力m1g；③用注射器吸取50 mL盐水，将注射器外部的水擦拭干净，堵好堵头，测出总重力m2g；④利用相关数据计算盐水密度。
（4） 改进优点。
①数字测力计精度较高，实验误差较小；②利用注射器上的刻度值测量盐水的体积，较为方便；③实验需要准备的盐水量不多，且对密度没有要求。
3.4 案例四：探究流体压强与流速关系——让实验变得有趣
（1） 教材分析。
人教版物理八年级下册“流体压强与流速的关系实验”，是用手握住两张自然下垂的纸，在两张纸的中间向下吹气，观察纸的运动情况。教材用以下一句话来总结相关规律：更多的实验结果表明，在气体和液体中，流速越快的位置，压强越小。
（2） 实验改进点。
为证明流体压强与流速的关系，教师需要设计更多的实验来探究。该实验需要教师引导学生分析：纸的中间空气流速快，压强小，纸的外侧空气流速慢，压强大，在压强差作用下导致纸的下端向中间靠拢。在经历感性现象到理性分析的过程中，需要进行压强分析，思维引导难度大。
（3） 实验创新设计。
实验器材：压差表，注射器（带针头）。
实验步骤：将针头刺入压差表接+号的乳胶管中，用力快速推动注射器活塞，读出此时的压强值；缓慢推注射器活塞，读出压强值，并和第一步的数据进行比较。
（4） 改进优点。
让学生动手实验且易于操作，学生的学习兴趣较高。相比教材实验，学生基于实验数据，易于分析并得出结论，有助于培养学生的实验能力。
4 结语
利用数字传感技术，指导学生分析采集到的精确数据，可以由定性分析变成定量分析；将物理现象变为可见可分析的实验数据，可以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，可以帮助学生对物理现象或者物理过程形成正确完整的认识；通过设计和动手完成创新性实验，可以帮助学生深度学习。同时，研究数字传感技术在物理实验中的应用，可以提高教师运用信息技术手段的能力，并开发出更多创新性实验资源
［5］。
湖北省教育信息化发展中心、湖北省电化教育馆重点课题“传感器在农村初中理化生教学中的应用研究”(202201008)
湖北省教育科学规划2022年度专项资助一般课题“传感器在农村初中理化生教学中的应用研究”(2022ZB38)
京公网安备11010202008535号
PDF
(582KB)
