传感器技术在中学物理实验教学中的应用研究
研究生姓名：余耀军
入学时间：2006年5月
导师姓名：呼力雅格其副教授
专业（方向）：学科教学（物理）
年级：2006级
现工作单位：内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗世纪中学
2008年12月
传感器技术在中学物理实验教学中的应用研究
中文摘要：
传感器技术是一种与现代科学密切相关的实用技术，具有便捷、直观、实时、准确等特点。在中学物理实验教学中引入传感器技术，不仅使某些在当前条件下无法实现的实验成为可能，提高中学物理实验教学绩效，还能促使学生了解先进的科学技术，获得科学的学习方法，形成正确的学习态度。 为了推进传感器技术在中学物理教学中有效应用，本文以现代教育理论为基础，结合传感器技术的特点，分析了应用传感器技术进行中学物理实验教学的优势。从实验效率，效果和教学效益三方面与传统实验进行了比较。利用传感器技术对传统实验进行改进，不仅使实验过程中的变化更为明晰、现象更为清楚，而且从定量的角度反映实验过程中的变化，改变传统的教学模式及学习方式，使教学更加有效，提高学生实验素质和信息素养，反思与评价更加全面。 研究表明传感器技术不仅弥补了传统实验工具的缺陷，而且革新了物理实验仪器与方法，拓展了物理实验的内容。将传感器技术应用于探究性学习，可以取得传统实验无法达到的良好效果。此外，笔者对教师和学生使用该技术进行教学的有效性和可操作性进行了分析和总结。 但是传感器技术在中学物理教学中的应用远远不止这些，还需要在今后长期的研究中不断摸索和总结经验。
关键字：传感器技术,物理实验,中学物理,实验教学,物理教学。
英文文摘：
目录
（暂缺）
第一章绪论
1.1选题背景
1．1．1问题的提出
物理学是以实验为基础的科学，物理教学必须以实验为基础。随着教学改革的发展，实验教学得到逐步加强，但是总体来说，在中学物理教学中，实验仍然是薄弱的环节，它极大地影响着物理教学质量的提高，与时代发展对人才的要求很不适应。为加强高中物理实验教学，《普通高中物理课程标准（实验稿）》中明确指出：“物理实验是高中物理教学中的重要内容”。“教师应该积极开发适合自己教学的实验项目，并尽可能利用各种实验资源，用各种不同型号、规格的仪器做实验。鼓励将电子计算机等现代多媒体技术应用在物理实验中”。“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等”。 《基础教育课程改革纲要（试行）》也指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式，学生的学习方式，教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”
现代教学中倡导“探究式教学”，强调学生独立思考的能力、合作学习的能力以及创新精神的培养，计算机和物理实验课程的有机整合，以人机对话的方式实现实验过程，并借助计算机处理实验数据，极大地方便了学生进行探究实验。利用计算机和数据采集系统进行物理实验，形式新颖、内容丰富、操作简单、数据处理方便，从而给物理实验教学注入了新的活力。
随着全球信息化的飞速发展，加速推进了我国教育现代化的步伐，教育的信息化是教育现代化的重要特征之一。
近年来我国在研制开发用于中学物理实验的传感器和数据采集器如雨后春笋般涌现出来，如上海中小学数字化实验系统研发中心推出的数字化信息系统实验室（DISLab），江苏苏威尔公司研制的苏威尔物理探究实验系统等等，也有很多学校装备了这种基于计算机的数据采集系统。但是，目前普遍存在的不足有以下两点：第一、中学教师对PC数据采集系统的功能和特点缺乏全面的理解，运用PC数据采集系统进行实验的意识和能力不强，指导学生实验的盲目性较大。第二、能够充分发挥该系统优势的具体实验比较少，需要开发和设计更多、更好的实验方案。
1.2国内外传感器技术的教育应用研究现状
1.2.1国外研究状况
1.2.2国内研究状况
我国2002年4月成立上海市中小学数字化实验系统（Digital Information
System）研发中心正式成立，注册朗威数字信息化实验室商标，投入该项目的研究。该中心是由上海市教委组建的一个国内首创，研、学、产、教一体化的研发机构。由著名实验教学专家、特级教师、特级校长冯容士先生担任中心主任，中心的加盟单位包括教委教研室、风华中学和山东省远大网络多媒体有限责任公司。2003年9月，根据试点学校的试用经验把升级的朗威DISLAB数据采集器正式推出。到2005年夏天，研发中心不仅打破了多项国外技术垄断，而且DISLab系统初具规模，使用DISLab，能够完成力学、运动学、电磁学、光学、热学和原子物理实验数百个。本课题主要以数字信息化实验系统为依托，开展对物理程实验情境教学中的应用研究，并取得了应有的成果。
随着国家新一轮课程教材改革试点，以传感器为依托的＂数字化实验＂作为一种全新的实验方式开始引起教育界的重视．
２００２年，上海市教委教研室、上海风华中学和山东远大多媒体有限责任公司联合组建的上海中小学数字化实验系统研发中心，开始了将传感器、计算机技术应用与实验教学的探索研究。
２００２年，上海二期课改高中物理教材（试验本）成为第一本将ＤＩＳ作为骨干实验内容的教材；２００３年，人教社高中物理教材编写组率先将数字化实验纳入国家级新课标教材；随后，上海科技教育出版社、广东教育出版社等新课标高中物理教材也引入了大量数字化实验。几年间，数字化实验从“鲜为人知”迅速发展到“众人皆知”，建设基于传感器的数字化实验室，成为全国不少省份的教育装备热点。２００２~２００５年，上海市教委组织了为期三年的大规模ＤＩＳ教学应用试验，涉及上海各区县试验校近百所，其中浦东新区全部四十所公立高中均与２００５年初加入了ＤＩＳ教学应用试验系列。
2004年11月在湖南召开的全国第六届物理青年教师教学大赛上，上海和深圳选手将数字化实验室引入比赛现场，让我第一次看到数字化实验的方式和效果，亲身感受了信息技术与物理教学整合的新型教学模式。关注、引领物理教学的前沿是教研员的责任，2005年3月起，在我区教研活动中用录象课、请传感器公司来人示范等方式广泛宣传数字化实验，进一步激发了老师们实验的热情。从2005年10月起引领老师们将传感器应用于高中物理教学的教改实验中。
在现代信息技术和全面推行新课标的形势下，实验不能削弱，而应当加强，应当创新。改进实验方法，提高实验效果。对原有的实验利用传统实验仪器、计算机、传感器、数据采集器重新“组合”、“整合”，适当加深和拓宽，以发展学生智力，提升能力。
1.3研究目标
1.4研究内容
1.5研究方法
1.5.1案例研究法
1.5.2文献调研法
1.5.3比较研究法
第二章传感器技术和中学物理实验
2.1传感器技术的概述
2.1.1传感器的定义和组成
1．传感器：数字化实验的核心部件。“感”将物理量转化成电信号；“传”将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，图中是一个位移传感器。
2．数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机，可以说是传感器与计算机连接的转换器。
3．实验仪器：完成某一物理实验需要的仪器，如小车、导轨、灯泡、电源、开关、线圈、磁铁等。
4．计算机及其内部处理由传感器传递的数据的软件。
5．实验结果：实验中采集的数据用计算机进行分析处理，通过计算机显示器直接显示以数学方式展现的图表和图象，物理现象和规律通过数学的图象和图表呈现。
由此可知，数字化实验是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，是传统实验方法的发展和数据处理的科学化，呈现的是真实的实验，数据处理上更严谨，规范。
2.1.2传感器的作用
2.1.3传感器的分类
2.2中学物理实验教学的现状
2.2.1中学物理实验的分类
2.2.2中学物理实验在中学物理教学中的重要性
2.2.3中学物理实验的现状
第三章现代教育理论依据
3.1建构主义理论 3.1.1建构主义的教学理论
3.1.2建构主义的学习理论
3.2活动学习理论
3.3多元智能理论
3.4最优化教学理论
3.5数字化学习理论
3.6探究式教学模式
第四章传感器技术在中学物理实验教学中的应用分析
4.1传感器技术在中学物理实验教学中的应用
4.1.1数字化实验室简介
4.1.2数字化实验室应用实例
4.2传统实验与DIS实验的绩效比较
4.2.1传统实验与DIS实验的效率比较
4.2.2传统实验与DIS实验的效果比较
4.2.3传统实验与DIS实验的教学效益比较
4.3传感器技术在中学物理实验教学中的应用优势
4.3.1传感器技术可使抽象的物理过程和概念具体化
4.3.2传感器技术可使微观现象直观化
4.3.3传感器技术可使暂态现象凝固化
4.3.4传感器技术可使定性实验定量化
4.3.5促进学生学习方式和课堂教学模式的转变
4.3.6实现了师生互动方式的多元化和个别化
4.3.7使师生的角色发生转变
4.3.8有助于学生实验素质和信息素养的提高
4.3.9猜测与结论更具方向性和有效性
4.3.10反思与评价更加客观有效
第五章传感器技术应用的整体思索
5.1传统实验与传感器技术
5.2对教师的要求
5.3有效运用传感器技术
结束语
参考文献
附录
致谢
攻读学位期间的科研成果