探索物理世界的新工具DISLab传感器.doc

探索物理世界的新工具——DISLab传感器 DISLab的研究与开发 （02） “回顾近半个世纪的物理教育改革，最重要的成就是逐步确立了现代物理教学观，教学过程从强调论证知识的结论向获取知识的科学过程转化，从强调单纯积累知识向探求知识方向转变。重视科学过程和重视能力培养，构成了现代物理教育的基本原则。”（引自《面向21世纪上海市中学物理学科教育改革行动纲领》）而物理学中，概念的形成、规律的发现、理论的建立，都有赖于实验。因此，强调重视实验、改进实验，成为上海市二期课改对物理教学的基本要求。 上海市中小学数字化实验系统研发中心立足课改教材的具体要求，研究开发出了数字化信息系统实验室（以下简称“DISLab”）。DISLab不仅列入上海市中学物理课程标准，而且在全市53所课改试点学校进行了为期两年的实验验证。 DISLab是由传感器＋数据采集器＋计算机（安装实验软件包）构成的新型实验系统。其中，DISLab系列传感器成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。 1、仪器现状导致教改难行 在二期课改的大背景下，传统中学仪器设备不仅很难满足学生发展的需要，有些还成为阻碍实验教学质量提高的瓶颈。其主要表现在于： ▲多种物理量的测量手段欠缺——声学、光学、运动学、磁学实验所要求的基本数据较难获取，靠虚拟或仿真加以替代，充其量也不过纸上谈兵； ▲现有实验仪器普遍精度低、误差大、可重复性差，影响学生对物理规律的深入理解； ▲实验仪器的读数仅靠人眼观察、手工记录，操作耗时费力，实验教学的效率低下。目前教材内容扩充、课时紧凑，更令教师对实验望而却步。 要充分发挥物理实验的教育、教学功能，就必须寻求先进、可靠的测量手段，以突破实验仪器落后形成的瓶颈。 “我们总不能凭借着卡文迪许时代的装备培养比尔·盖茨时代的新人吧？” 面对实验仪器和课改要求的巨大反差，一位物理教师如是说。 2、技术进步突破装备瓶颈 针对现有实验仪器和测量手段存在的“硬伤”，上海市中小学数字化实验系统研发中心借鉴了国际国内的成功经验，根据上海教育的实际需求，研发了多种DISLab物理量传感器（表1）。 传感器名称 量 程 分 度 对应的中学实验仪表、器材 电流传感器 -1A～+1A 10mA 电流表 电压传感器 -10V～+10V 10mV 电压表 微电流传感器 -1μA～+1μA / 灵敏/镜式电流计 温度传感器 -10℃～+110℃ 0.1℃ 温度计 压强传感器 0～300kPa ±0.1 kPa 压强计 力传感器 ±20N/±10N 0.1N 测力计 磁感应强度传感器 ±15mT 0.1mT 无 位移传感器 0～200cm 1mm 打点计时器 光电门传感器 / 0.01mS 数字毫秒计 声波传感器 100Hz～1KHz 1ms 无 光强传感器 / 1mm 光度计 G-M传感器 40000cpm（最大计数率） 1cpm G-M计数器 表1 DISLab传感器一览 传感器本身并不神秘，伴随着仿生学和自动测控发展起来的传感器在我们的日常生活中已获得了广泛应用。但在中学物理实验教学过程中引入传感器，即使在国外也不过近几年的时间。 与传统的实验仪器相比，传感器更具有品种多、技术新、功能强、发展快、性能可靠的优势。如DISLab力传感器、位移传感器、磁感强度传感器、光强度传感器就成功填补了传统仪器的测量空白；而DISLab光电门传感器可以将测量分档缩小到10微秒，比数字毫秒计高出了两个数量级；温度传感器的量程为-10～+110度，分度达到了0.1度。更重要的是，传感器能够把物理量转化成标准电压信号，且具备信号实时上传的功能，与计算机的通讯方便。这保证了信息技术的优势得以充分发挥，不仅能实现对传统仪器的补充和替代，更能够超越传统仪器的功能。 3、开启中学物理实验教学的数字化时代 DISLab传感器的引入，初步实现了物理实验教学过程中测量手段的数字化，与计算机结合后更实现了数据显示、分析、计算的智能化。DISLab传感器的应用，标志着中学物理实验上了一个新台阶。 ▲DISLab电学传感器 DISLab电学传感器包括电流（图1左）、微电流（图1中）和电压传感器（图1右）。电流、微电流传感器的使用方法与电流表相同，使用时将传感器串联在电路中，电流自红色夹钳入，由黑色夹钳出。电压传感器的使用方法与电压表相同，使用时，将电压传感器并联在电路中，红色夹钳接高电位，黑色夹钳接低电位。 电学传感器被广泛应用于中学物理实验。如等势线描绘、欧姆定律、导体的伏安特性、闭合电路欧姆定律、电源的电动势和内电阻、金属丝的电阻率、小灯泡的伏安特性曲线、电容充放电与串并联、整流与滤波、交流电观察、李萨如图形、RC移相电路、电感中的相差、楞次定律