（课程与教学论专业论文）数据采集器运用于中学物理实验的研究.pdf

数据采集器运用于中学物理实验的研究 y 5 9 47 0 7 r e s e a r c ho l l t h ea p p l i c a t i o no f d a t a l o g g e r i n m i d d l es c h o o l p h y s i c se x p e r i m e n t s 摘要 教育改革的今天，教育专家提出教育改革必须基于信息技术发展的需要。以 培养学生创新精神为重点的新课程体系，呼唤新的教育理念和贯穿新的教育理念 的现代化设备。数据采集器作为一种现代化设备运用于物理实验教学，国外的研 究资料已证明具有巨大的优势，而国内才开始起步还没有形成一个系统，为了弥 补不足，本文采用美国p a s c o 公司生产的s c i e n c ew o r k s h o p 数据采集器系统设 计实验，从教学角度出发并配合物理新课程的总目标，分别从验证性实验、探究 性实验、应用性实验三方面设计实验，突出了数据采集器的优势：即培养学生精 细敏锐的感知和观察能力，改善学生的认知结构，拓宽学生探究性学习的空间， 优化学生的多元智力和强化学生的大脑记忆结构。 本文还提出了数据采集器与信息技术整合的教学思路，列举了数据采集器实 验与其课件、网页在辅助物理实验教学中的应用，阐述了数据采集器实物实验与 它的辅助课件、网页相接合，相得益彰，不仅能弥补资源的不足，而且还能取得 很好的教学效果。 关键词：数据采集器物理实验 设计课件网页 隶缝作者、导鲫阈惫 舞全文公耐 兰堕墅蔓奎兰堡主堡奎 a b s l l 认c l 。 f o rc u r r e n te d u c a t i o nr e f o r m ，e d u c a t m ne x p e r tp o i n t e do u t t h a ti n n o v a t i o no f e d u c a t i o nm u s tg ow i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y n e w e d u c a t i o ni d e aa n dm o d e m e d u c a t i o ne q u i p m e n ta r e r e q u i r e db y t h en e wc u r r i c u l u m s y s t e m a s am o d e m t e c h n o l o g y , d a t a l o g g e rp l a y s a ne n o r m o u s p r e d o m i n a n c ep a r ti n t e a c h i n gp h y s i c a le x p e r i m e n t s i nf o r e i g nc o u n t r y , h o w e v e ri ti sj u s ta tb e g i n n i n ga n d h a sn o tb e c o m ea s y s t e m i nm y c o u n t r yy e t i n o r d e rt om a k e u p t h ed e f i c i e n c y , t h e s c i e n c ew o r k s h o pd a t a l o g g e rm a d ei nt h eu sp a s c o c o m p a n y h a sb e e nu s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ea d v a n t a g eo ft h ed a t a l o g g e rh a sb e e ne x t r u d e db yt h er e s e a r c h o f e x p e r i m e n t s f o r v e r i f i c a t i o n ，i n q u i r i n ge x p e r i m e n t s a n d a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t s w h i c hw o r k e di nt h ec a t a l o g n eo ft h en e w p h y s i c se o u l s e s f o rt e a c h i n g a sar e s u l t ，a f i n ea c u i t yp e r c e p t i o n a la n do b s e r v a t i o n a la b i l i t yo fs t u d e n tw i l lb ed e v e l o p e d ，a c o g n i t i v ef r a m e w o r k w i l lb ei m p r o v e d ，t h es p a c ef o ri n v e s t i g a t i v el e a r n i n gw i l lb e e n l a r g e d ，m u l t i p l ei n t e l l i g e n c e sw i l lb eo p t i m i z e d a n db r a i nm e m o r ys t r u c t u r e sw i l l b ec o n s o l i d a t e di ft h ed a t a l o g g e rh a sb e e nu s e di nt e a c h i n gp h y s i c se x p e r i m e n t s i na d d i t i o n ，t h ei n t e g r a t i o no ft h ed a t a l o g g e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya sa t e a c h i n gi d e o l o g yh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ea p p l i c a t i o nt h a t t h ed a t a l o g g e ri n t e g r a t e dt oc o u r z e w a r ea n dw e b r a g e sh a sb e e nc i t e di nf a c i l i t a t i n g t h et e a c h i n go fp h y s i c a le x p e r i m e n t s i t si n d i c a t e dt h a tu s i n gt h ea b o v em e n t i o n e d i n t e g r a t i o n ，w i l ln o to n l ym a k eu pt h el a c ko ft h er e s o u r c e ，b u ta l s oi m p r o v et h e p h y s i c st e a c h i n gw i t he x c e l l e n te d u c a t i o n a le f f e c t i v e n e s s k e yw o r d ：d a t a l o g g e rd e s i g nw e b p a g e s p h y s i c se x p e r i m e n t s c o m z e w a r e 2 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r e s e a r c ho bt h ea p p h c a f i o no f d a t a l o g g c ri nm i d d l es c h o o lp h y s i c sc x p e r h n e n t s 1 绪论 1 1 问题的提出 数据采集器是一种电子仪器，由采集器、传感器、软件三部分组成，一般与 电脑连接，收集、储存数据，并分析数据。国外的调查资料显示，运用数据采集 器配合电脑辅助实验教学具有极大的优势。 联合国王( 大不列颠及爱尔南) l o u g h b o r o u 曲大学教授l e o n a r dr n e w t o n 1 9 9 8 年在他的文章“数据采集器应用在科学课堂一种创新方法”指出 1 】：数 据采集器为我们实际工作提供了先进方法，实践证明把它应用到科学课堂具有巨 大的潜力。 据爱尔南和美国的研究表h 蝈 2 1 3 j 4 1 1 5 】【6 1 1 7 1 ：把数据采集器应用到学生实验：( 1 ) 提供了采集实验数据的新方法，能大大调动学生的积极性。( 2 ) 数据采集器技术 为学生提供了真正的科学实验，它有助于提高学生丌展科学探究的技能，增强他 们对实验图像的解释能力，并有利于学生合作学习。( 3 ) 数据采集器技术不仅能 提高学生对实验图线分析能力，而且电脑作图的优越性大大超过了手工作图。 北美研究也表明【8 】f 9 】：应用数据采集器技术为学生提供了更为独立、更有价 值的社会空间。通过对大量的中学生进行调研、教育测量，发现应用数据采集器 技术能使学生更好地理解物理概念和规律，并能提高他们的物理成绩。学生通过 预测实验图线和真实的图线相比照，有利于开发他们的实验思维。另外在实验中 教师的介入很重要，可以提出一些问题，让学生思考回答，有利于提高学生的表 达能力，即使没有教师的介入，学生通过解释真实的实验数据和图像对他们也很 有益处。数据采集器为学生提供了很有价值的实验工具，学生可以通过所得图线 观察分析实验。图线是呈现数据的重要方法，各个图线都有自己的特征，了解这 些特征能帮助学生更好理解实验。图线可以看作一架连接简单观察到用更为标准 的概念、定律描述解释问题的桥梁。 下面有一则由美国教育评价局( n a e p ) 提供的统计图【1 0 1 ，反应2 0 0 0 年美 国近4 9 ，0 0 0 名不同年级的学生、不同程度使用数据采集器收集数据，协助自然 科学课程的学习，学生成绩分布情况( 图i - 1 ) ： 从柱状图可以看出：经常使用数据采集器进行探究学习的学生平均成绩，明 显高于不使用其进行学习的学生。 华南师范大学硕士论文 a v e r a g es c 搿e s 姆。t y p e so f0 瓣稔fu s e 巍l 俐鬯l 鹣t a k i n g8 0 躲蹦瓣0 貔i f 嚣e s g r a 琏e1 2 ：2 棼 毫o 峨c 芭：囊c 坤岫轴划礴鼬i 翱k 1 轴l 嘲矗 s 嘲蕊艄嗤o f 芒矗瞄b 嘲t 脚b a 抽f 嘲唯黼s 毫蜘鼬枘赫_ 嘲 厂- - 麓腿s 5 9 旧耋e 基s 掘锰s 骚c a i 玲s 妻鲫椭n t fd 黼n c o 翻莹宝j 艄垫e 韵翻帕雄文舯s 图1 1 近年来国内教学改革大力提倡计算机辅助教学，多媒体技术、虚拟仿真技术、 网络技术在教学中的应用发展很快，而真正用数据采集器辅助实验教学还处于萌 芽阶段，尚没见到有对这方面做系统研究的论文，因此，研究这一领域很有价值。 其次，数据采集器作为一项新技术及时引入物理实验教学符合教育教学的要 求，也符合时代的要求。 计算机与传感器、电子、数字化等技术相结合，已经在信息的获取、实验过 程的监控、数据的采集和分析等方面显示出巨大的优越性，这是对传统的手工实 验方式的挑战，它必将引发实验方法和实验技术的革新，因此数据采集器引入物 理实验是必然趋势，另外，先进的实验仪器能提高学生的兴趣和能力。著名美籍 华裔物理学家杨振宁教授曾指出【l l 】：“中国小孩在动手的兴趣和能力方面明显不 如欧洲和美国的小孩”。如果我们采用先进的实验技术，对提高学生的动手能力 无疑是- n 良药，所谓“工欲善其事，必先利其器”。 另外，教育部发布的高中物理新课程标准阐述了数据采集器应用于物理 实验的思想。 在选修模块2 1 【1 2 】电磁波与信息技术中提出：要求学生利用与计算机相 连的传感器进行实时测量，做物理实验。通过实验或实例了解常见传感器的工作 2 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r e s e a r c h o l l t h ea p p l i c a t i o no f d a t a l o g g e r i n m i d d l es c h o o l p h y s i c se x p e r i m e n t s 原理，了解传感器在生产、生活中的应用，体会传感器的应用给人们带来的方便， 在学习物理内容和技术应用过程中加深对科学技术的亲近感，体会科学与技术相 互促进又相互制约的关系以及科学技术与社会发展的关系。在课程资源利用与 开发建议i 1 2 1 q ，提出：信息技术要进入实验室，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。 这些都说明把数据采集器应用于物理实验是未来教学发展的趋势。 1 2 国内、外状况 国内状况：国内开发的数据采集器实验教学系统种类少，根据调研，发现 用于教学的数据采集系统有： 由教育部教学仪器研究所研制的h p c i - 1 物理实验微机辅助系统，它已从1 0 版发展到现在的4 0 版，实验内容已经有6 0 余个。 山东远大网络多媒体有限责任公司生产的朗威采集系统。 另外许多高校物理实验室，现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用 有a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境 的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，效果不是太好。 这些数据采集系统，有一定的局限性，开发的实验不够全面，精度不够高。 纵观国内情形，总体来说对数据采集器在实验中应用的认识不够，北京、上 海一部分学校在物理教学中使用了数据采集器，其它地方能在普通中学中用到的 真是风毛麟角，调查广东省，仅有华师附中、天河中学、深圳高级中学购买了部分 数据采集器系统，开发与使用情况让人担忧，基本上是用在公开课的演示实验， 平时闲置一边，学生接触的机会很少，没有挖掘出数据采集器的真正优势。至 0 2 年以来，借基础教育改革的东风，教育专家认识到教育改革必须基于现代信 息技术发展的需要。以培养学生创新精神为重点的新课程体系，呼唤新的教育理 念和贯穿新的教育理念的现代化设备。由上海市教研室、上海市风华中学、山 东远大网络多媒体有限责任公司联合成立了上海市中小学数字化实验系统研发 中心，开发朗威d i s l a b 数据采集器系统进入5 3 所二期课改试点学校试用，上海 市二期课改高中物理教材组正式将朗威d i s l a b 编入教材，0 3 年9 月，根据试点 学校的试用经验把升级的朗威d i s l a b 数据采集器系统正式推出，成为信息技术 3 华南师范大学硕士论文 与物理教学整合理念的优秀载体。国外8 0 年代初就开始在科学课程中引入数据 采集器系统，而国内却晚了十几年。教育的效果是受教育手段影响的，我国的教 育水平要赶上国外先进水平，就要及时采用先进的教育手段。 朗威d i s l a b 数据采集器系统毕竟还处于尝试、更新阶段，所以它还存在着 许多不足之处，如采集器的精度不够，软件界面在布局上还有许多不合理的地方， 在图线转换和数据处理等技术方面还有待提高。它根植于课改，有着很广阔的发 展前景。 在特别行政区香港，教育部门比较重视在教学中引入先进的实验设备，许多 学校小学、中学科学课程中已采用数据采集器让学生开展探究性学习活动。 “香港教育学院科学系”9 0 年代就开始从国外引入不同种类的数据采集器系统， 给未来的中小学教师开设实验课，让他们系统的了解数据采集器，据考察他们采 用的数据采集器系统有：1 新加坡生产的a d d e s t a t l o n ( p a ) 采集 器系统，价格便宜，但开发的传感器数量少，仪器的精度不够 高，用于一般中小学开展科学探究活动也算经济实惠。2 德国生 产的c o b r a 型数据采集器系统，属于功能比较全的采集器，有 两个模拟通道，三个数字通道。该采集器的特色：采集器能彼 此串联，就如同干电池的串联一样，最多能串联8 个采集器， 并且模拟通道和数字通道能同时用，也就是总共能连接4 0 个传 感器，比较适和需要同时监测几个量变化的测量。3 掌上数据采 集器，内存大，携带方便，适用于野外作实验。采集器间可通 过红外线传递信号，比如在河的两岸可借助红外线传递信号。 4 南韩生产的万用表式的m e t e x 型数据采集器，采样频率仅为 2 h z ，与电脑连接的方式为r s 2 3 2 ，并配有相应的软件，精度比较低。5 英国生 产的e u l o g - e n g l i s h 、l o g l t - e g l i s h 、p h i l ph e n i s e n g l i s h 6 美国p a s c o 公司生产 4 数据采集嚣运用于中学物理实验的研究 r c s c a r c h o n t h ea p p l i c a t i o n o f d a t a l o g g e r i n m i d d l es c h o o lp h y s i c se x p e r i m e n t s 的数据采集器系统。香港教育统筹局在网上还开辟了数据采集器网站。 国外状况： 自从1 9 8 0 年以来，数据采集器已被许多国家运用到教学中去，尤其在u k 和u s a 。国外非常注意应用现代化的手段，如应用计算机来控制实验、处理数 据、模拟实验，国际物理教学研究组织( g 吸e p ) 曾在1 9 8 4 年物理教学讨论会 上展示的演示实验仪器，几乎全部采用微机辅助实验，同时他们也充分认识到数 据采集器与计算机结合辅助实验教学能提高教学效果，例如：英国和美国，他 们认为数据采集器能促进学生的创新能力和探索能力，能激励他们大胆质疑挑战 问题。美国大学的近代物理实验中几乎1 0 0 都用计算机采集数据和模拟实验， 而普物实验约1 3 用计算机【1 3 】。亚洲地区应用数据采集器辅助教学也逐步赢得了 认识，例如：新加坡教育司近两年里拨出上百万的美金专门用于数据采集器装置 的购置和技术培训，另外文莱、马来西亚和台湾也投入了大量的资金。这些迹象 都说明了，数据采集器应用于实验教学也将是我们国内未来发展的趋势。 国外数据采集器系统很多，比较出名的有： 美国p a s c o 公司生产的数据采集器系统 英国p i c ot e c h n o l o g y 公司生产的数据采集器系统 澳大利亚d a v ah a r v e s t 公司生产的数据采集器系统 美国f o u r i e rs y s t e m 公司生产的数据采集器系统 华南师范大学硕士论文 2 课题研究的理论依据 2 1 学习理论 2 1 1 建构主义( c o n s t r u c t i v is m ) 理论川阍 建构主义是学习理论中行为主义发展到认知主义以后的进一步发展。建构主 义理论的内容可以概括为：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发 现和对所学知识意义的主动建构，认为学习者的已有知识与经验对新知识的同化 和顺应起着非常重要的作用。学生的学习不是被动的而是一个积极主动建构的过 程。建构主义理论把合作学习作为教学的主要策略，强调主体间互助在知识建构 中的显著作用。 建构主义理论要求努力创造一个情景，在这一情景中，学习者能积极主动地 建构他们自己的知识。如果让学习者积极建立自己的知识结构，以这种方式建立 的新知识结构不仅不易退化，并且能给学习者提供主动学习的机会，能培养他们 的创造思维能力。 建构主义强调探究性学习，数据采集器是开展探究性学习的有效工具。 h a r r i s o n 1 6 】陈诉：用数据采集器开展探究性实验是很有效率的，通过主动探 索、质疑、发现和相互比较，促使学生积极主动去建构，进而能促进学生学习理 论的发展。l a p pa n dc y t u s 【1 7 l 提出：利用数据采集器能促使学生用短时记忆和经 验预测并建构理论；利用数据采集器学习概念能给学生增添自信，能使学生主动 建构有意义的学习。另外，数据采集器包含了合作学习的活动，它是建构主义理 论的重要内容。学生们基于过去的知识和理论的相互交流，并预测图线的形状， 通过仔细分析、讨论，能阻止错误概念的形成，有利于建构彼此的学习理论，并 且最终明白同学问是学习伙伴而不是竞争的对手关系。 借助数据采集器做实验，通过真实的实验数据和图线给学生提供了主动建构 知识的情景。l a p p a n dc y r u s 切、k w o n 1 8 】曾说过，有效率地收集真实的数据，意 味着把真实的图线与学生的真实体验联系在一起，这对于学生建构新知识有很重 要的作用。 数据采集器建构物理图线，可以被看作皮亚杰建构主义理论的升华。 2 1 2 大脑理论与多元化智力理论 6 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r e s e a r c ho rt h ea p p l i c a t i o no f d a t a l o g g e ri nm i d d l es c h o o lp h y s i c se x p e r i m e n t s f o r r e s t e ra n dj a n t z i e 【1 9 l 的学习理论指出，如果大脑记忆结构经常处于活跃状 态，将有利于记忆。利用数据采集器做实验大大缩短时阃，提供了重复实验的时 间，重复实验意味着重复刺激大脑的同一记忆单元，通过观察正确的图线点将激 活大脑中的相应的记忆单元。 美国哈佛大学教授、发展心理学家加德纳h o w a r dg a r d n e r 在1 9 8 3 年出版的 智力的结构( f r a m e s o fm i n d ) - - 书中提出的“多元智力理论”( m u l t i p l e i n t e l l i g e n c e s ) 弓i 起了世界范围的广泛关注并成为许多西方国家9 0 年代以来教育 改革的重要指导思想。 多元智力理论认为，智力是多元的，不是一种能力，而是一组能力，而且， 这组能力中的各种能力不是以整合的形式存在，而是以相对独立的形式存在。在 智力的结构一书中，加德纳首次提出了多元智力理论的基本结构，即个体身 上相对独立存在着的，与特定的认知领域或知识范畴相联系的七种智力：言语一 语言智力；音乐一节奏智力；逻辑一数理智力；视觉一空间智力；身体一动觉智 力；自知一自省智力；交往一交流智力。 联合国王l o u g h b o r o u g h 大学教授l e o n a r dr n e w t o n1 9 9 8 年研究发现运 用数据采集器做实验有助于学生这几方面智能的提高 1 言语语言智力( v e r b a l l i n g u i s t i c ) 这种智力主要是指昕、说、读、写的能力，表现为个人能够顺利而高效地利 用语言描述事件、表达思想并与人交流的能力。通过用数据采集器，让学生谈论 在实验中所观察到的图线变化现象，有助于提高他们的语言表达和描述能力。 2 音乐- 节奏智力( m u s i c a l ) 这种智力主要是指感受、辨别、记忆、改变和表达音乐的能力，表现为个人 对音乐包括节奏、音调、音色和旋律的敏感，以及通过作曲、演奏和歌唱等表达 音乐的能力。数据采集器减轻了学生的手工劳作，给学生提供了一个轻松愉快的 学习过程，同时使音乐智能得到了加强。 3 逻辑数理智力( l o g j c a l m a t h e m a t i c a l ) 这种智力主要是指运算和推理的能力，表现为对事物问各种关系如类比、对 比、因果和逻辑等关系的敏感，以及通过数理运算和逻辑推理等进行思维的能力。 n e w t o n 斜指出因为数据采集器软件计算速度快，因此给学生提供了用不同数据 7 华南师范大学硕士论文 快速提炼概念的机会，有助于帮助学生发展更高状态下数据处理的能力。 4 视觉一空间智力( v i s u a l - s p a d a 0 这种智力主要是指感受、辨别、记忆、改变物体的空间关系并藉此表达思想 和情感的能力，表现为对线条、形状、结构、色彩和空间关系的敏感，以及通过 平面图形和立体造型将它们表现出来的能力。创作图线是数据采集器的核心，在 实验前可以让学生先预测实验的结果图线，然后再和真实的图线相比较，有利于 锻炼学生的空间想象能力。 5 身体- 动觉智力( b o d i l y - k i n a e s t h e t i c ) 这种智力主要是指运用四肢和躯干的能力，表现为能够较好地控制自己的身 体、对事件能够做出恰当的身体反应，以及善于利用身体语言来表达自己的思想 和情感的能力。如果在用数据采集器做实验的过程中，教师给学生分工，让他们 有的观察、有的控制测量、有的检查设备，他们会在实验中表现得很活跃，运动 技能得到了锻炼。 6 自知自省智力( i n t r a p e r s o n a l ) 这种智力主要是指认识、洞察和反省自身的能力，表现为能够正确地意识和 评价自身的情绪、动机、欲望、个性、意志，并在正确的自我意识和自我评价的 基础上形成自尊、自律和自制的能力。对于电脑产生的实验结果，学生们非常相 信它的真实性，如果教师善于调动学生的积极性，鼓励学生去分析实验图线并各 抒己见，这样学生会用自己的经验知识去解释图线，能使他们的认知技能得到提 高。 7 交往一交流智力( i n t e r p e r s o n a l ) 这种智力主要是指与人相处和交往的能力，表现为觉察、体验他人情绪、情 感和意图并据此做出适宜反应的能力。用数据采集器做实验有利于学生彼此合 作、交流，提高学生的责任心和决断能力。 2 1 3 探究性学习理论脚1 池1 ( 1 )基本理论 探究性学习是指学生通过自主地参与获得知识的过程，加深对知识的体验， 掌握研究自然所必需的探究能力，同时，形成认识自然的基础科学概念和规 律，进而培养探索未知世界的积极态度。 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r e s e a r c ho i lt h ea p p l i c a t i o no f d a t a l o g g e ri nm i d d l es c h o o lp h y s i c se x p e r i m e n t s 探究学习是学生自主取向性学习，是探究发现式学习，是问题解决式学习， 是认知建构式学习，是人际互动式学习。 探究模式源于沙萨奇曼( r i c h h a r ds u c hm a n ) 对于独立学习者发展的信念， 他认为：科学家用来解决问题、探究未知的理性智略可以传授给学生，其探究模 式旨在使学生通过积极参与科学探索过程，模拟科学家解决问题的方式，使学生 体会如何面对疑难情境，学会搜集和加工需要的新资料，最终达到问题解决的探 究过程，从而获得在真实的生活情境中发现问题，解决问题的能力。 ( 2 )探究性学习与物理实验的关系 物理是一门实验学科，是开展探究性学习的一方沃土，在没有提出“探究” 一词时，已经暗含着探究成份。物理实验是探究性学习的有效方式，通过实验探 究，有助于提高学生的观察能力和实验思维能力，使学生获得丰富的感性认识， 形成鲜明的表象，为学生建立正确的概念、认识科学的规律奠定基础。另外，探 究性实验活动还能培养学生观察的精细品质与严密科学的分析能力，这些为他们 将来从事科学研究打下坚实的基础。 数据采集器作为新技术引入实验教学，能有效开展探究性学习活动，通过对 实验数据的真实纪录，学生能立即看到实验结果，花较少的时间记录和处理数据， 而有更多的时间探究实验过程并检测物理概念。数据采集器营造了学生探究学习 的环境，拓宽了探究的空间，通过主动设计实验，提高了自主学习和解决问题的 能力，并在主动探究的过程中进一步理解物理概念和规律。数据采集器引入实验 教学符合新课程标准的理念。 2 2 物理实验教学理论2 2 4 m 印 物理学是以实验为基础的科学，是对大量物理事实、现象进行科学探究和概 括的- - 1 3 自然科学。物理学的实验基础、理论体系和研究方法，是科学技术的基 础，在新的科技领域中开拓探索，实验是有力手段，因此要重视物理实验。 科学技术发展的历史和现实告诉我们，很多科学技术的重大发明和发展，如 无线电、激光、超导技术、生物工程等都是在实验中首先获得突破的；许多诺贝 尔奖学金获得者也是在从事实验研究的过程中获得重大发现的。物理实验对促进 科学技术的发展、社会的进步有深远的影响。有人预言未来人才的竞争不是在导 弹发射场上，而是在课堂上，所以，更新实验设备引进先进的实验仪器，切实发 9 华南师范大学硕士论文 挥实验在普通教育中的作用，是十分重要的。 1 实验教学是符合人的认识规律的科学实践活动，它能激发学生的求知欲 望，启迪学生的科学思维，培养学生获取知识和运用知识的能力。 实验具有具体形象生动的特点，实验教学从感性到理性、从具体到抽象、从 简单到复杂，适合学生的心身特点，符合学生的认知规律。实践证明在教学中应 用实验手段，能取得很好的教学效果。数据采集器和电脑结合引入物理实验，提 高实验质量，增强了可信性和直观性，并具有较高的参与性，有利于调动学生的 积极性，符合我国实验教学改革的方向。 2 物理实验是具有很强的探索性和创造性的实践活动。 学生进入实验环境，通过观察、实验、操作、游戏等亲身体验，能促进其探 索新知识，从而获得新知识。学生在借助物理实验手段去探索物理规律时，还能 激发其创造性。从现代的教学思想的观点看，在加强对实验仪器的基本操作技能 的同时，致力于改善学生的智能结构，发展学生的创造能力，才能培养出勇于接 受世界新技术革命的挑战，勇于开拓和创新的新一代。数据采集器应用于实验教 学，拓宽了学生探究性学习的空问，也开阔了他们创造性实践的活动领域，丰富 了认知结构，对开发学生的创造能力是很有益处的。 3 物理实验能培养学生的各种能力并形成良好的科学素养。 学生在进行观察与实验中，培养了精细敏锐的感知和观察能力；在设计实验、 分析结果中锻炼和培养了想象能力和分析能力；在研究原因进行总结时，提高了 概括抽象的逻辑思维和辩证思维的舷力。借助于数据采集器做实验，能在电脑显 示屏上f 司步呈现实验过程和实验数据，有利于学生观察，对于异常的现象，能及 时分析原因，不仅提高了学习效率，也锻炼了各种能力。 4 物理实验能使学生的认知结构得到改善。 学生学习物理学科前，在生活的实践中脑海里已经形成了许多前概念，这些 前概念有些是对物理现象的正确认识，有些是对物理现象的错误认识，即相异构 想，相异构想对于物理知识的接受无疑造成很大的障碍。要促使学生认知结构的 转变，首先要使源结构解体，这就需要在学生头脑中激发认知冲突和危机，使他 们原有的概念与面临的现实产生无法调和的矛盾，在旧结构的动摇下，开始建立 新结构，物理实验有利于建构新结构，通过反思和认知冲突的解决形成有意义学 l o 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r c s c a r c h o n t h ea p p l i c a t i o no f d a l a o g g c r i n m i d d l es c h o o l p h y s i c se x p e r i m e n t s 习。用数据采集器针对学生的相异构想设计一些实验，面对真实的数据对学生的 错误概念无疑是巨大的撞击，因而，通过数据采集器真实地展现实验过程，对纠 正学生的相异构想是大有裨益的。 2 3 新技术理论【2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】 高新技术是现代化社会的象征，掌握高新技术既是一个国家综合国力的重 要体现，也是一个学校办学实力的重要标志，更是促进学科发展和课程建设的 重要手段。高新技术的一个最典型代表是计算机及其应用技术。 实验课是学生在校学习的一个重要环节，利用高新技术对改造传统的实验， 培养学生的实验技能，提高实验课的质量有着密切的关系。只有及时注意把握高 新技术的发展趋势，在实验中不断应用高新技术，才能提高学校的实验技术水平 和实验课质量，才能为社会培养合格人才。因此，物理实验教学在当代高新技术 的强烈冲击下，引入高新技术改革实验教学，拓新实验内容、手段和方法已成为 必然趋势和迫切需要。 在实验教学中引入高新技术表明我国教育发展正从知识型、智能型向创造 型方向转轨，学科实验由验证型向探索型方向转变。这将成为我国教育发展史 上的一个新的旱程碑，也是今后教育领域的一个新亮点，必将带来一次实验教 学的改革。 在教学中及时引进高新技术符合社会的发展。 2 1 世纪人类的竞争是知识的竞争，数据采集器在科技和工业中的应用变得 非常广泛，因此让学生在物理实验中尝试数据采集器，了解现代科技中微机实时 测量技术，能为他们今后步入社会打下良好的基础，数据采集器与电脑结合是新 技术引入教学中的一个典范，是一株含苞待放的花蕾。 1 1 华南师范大学硕士论文 3 数据采集器系统介绍啪1 3 1数据采集器系统概述 数据采集器系统由采集器、传感器、软件三部分组成，一般与电脑连接，收 集、储存并分析数据。数据采集器系统名目繁多，本文实验中采用的仪器基于美 国p a s c 0 公司生产的、专门用于物理实验的“科学工作室”s c i e n c ew o r k s h o p 数 据采集器系统。该系统具有以下特点： 1 种类齐全，涵盖力、热、波、电、磁、光、原子物理等上百个物理实验； 2 采用先进的传感技术采集各种物理量的数据，传感器的数量超过5 0 多种； 3 利用先进的数据采集技术，令物理实验更准确、更有效率； 4 提供中英文接口的数据处理与分析软件及中英文实验手册。 本实验操作简便，设计新颖，即可做定量实验，也可做定性实验。 在使用数据采集器时，先要将数据采集器接上电脑，再接上所需要的传感器， 然后用配套软件在电脑中设定所要收集的参数，再启动软件就可丌始收集数据， 数据采集器会将量度到的数据和进行实验时的日期和时间记录下来，并储存在记 忆单元中。在完成数据采集后，可利用软件把收集到的数据转换成图表再进行分 析。 3 1 1 采集器 采集器是一种电子仪器，用于记录在一段特定时间内，四周环境的温度、 相对湿度、光强、电压、压力、开关状况等变化的情况。一般而言，采集器体 积不大，装有微处理器、储存数据记忆单元和感应8 0 大部分采集器均与电脑 连接，用配套软件启动采集器，并对采集器收集的数据进行阅读和分析。采集 器的特点是可将所收集的数据先储存，留待日后再进行分析，也可以同步进行 收集和分析。美国p a s c o 公司生产的数据采集器系统提供的采集器种类有 3 0 0 接口采集器、5 0 0 接口采集器、7 0 0 接口采集器、7 5 0 接口采集器，3 0 0 接口是比较老的产品，现在基本上不用了，这里主要介绍一下5 0 0 接口采集器 和7 5 0 接口采集器。 p a s c o 爿r 算机接口5 0 0 型主要特点：无需电脑即可以采集和存储数据，适 用于野外做实验，方便携带。5 0 0 接口有三个模拟通道，两个数字通道，模拟 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r e s e a r c h o n t h ea p p l i c a t i o n o f d a t a l o g g c r i n m i d d l es c h o o l p h y f i c se x p e r i m e n t s 通道和数字通道可以混合选用。 技术参数说明： 1 模拟采样一5 0 0s a m p l e s e c ( c o n t i n u o u sm o d e ) ：一2 0 ，0 0 0 s a m p l e s e c ( b u r s tm o d e ) 。 2 时间精确度达到0 1m s e c ；位置感应采集数据点多达7 ，0 0 0 动作感应。 3 5 0k b 的存储空间，采集达到1 7 ，0 0 0 数据点( d a t al o gm o d e ) 。在野外可 使用4 “a a 电池作电源，与电脑连接的方式是r s 2 3 2 。 p a s c o 计算机接口- 7 5 0 型主要特点： 7 5 0 接口是现代物理实验室较理想的选择，具有较全面的物理量测量功能， 能测量力、位移、温度、压力、角速度、加速度、电流、磁场、光等许多物理量， 7 5 0 接口内置功能发生器并具有实时示波器功能。7 5 0 接口包括三个模拟通道、 四个数字通道，这七个通道可以被同时选用，对传感器的选择 也没有限制，模拟通道和数字通道可以混合选用。 技术参数说明： 1 单通道每秒采样频率为2 5 0 ，0 0 0 h z 。学生们通过实时示波器，能观赏到无法 想象的声波图像。数字通道时间精确度达到o 1m s e c ，位置感应分辨率达到1 m m 。如果实验需要低于5 0 k h z 的频率并且电信号的功率输出在1 5 瓦( 电流 3 0 0 m a ) 左右，无需用外电源，可以只用内置电源。 2 随着7 5 0 接口采样率的增加，示波器的频率达到2 0 k h z ，每秒更新率达到4 0 帧，图线变得更加真实。减少了干扰，记录的数据更精确。 3 与电脑的连接有两种方式即s c s i 卡和r s - 2 3 2 。 3 1 2 传感器 传感器：把非物理量( 如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、 光照度等) 转换成易于测量、传输处理的电学量( 如电压、电流、电阻、电容等) 的一种组件。“科学工作室”s c i e n c ew o r k s h o p 数据采集器系统提供的传感器有 5 0 多种，覆盖力、热、波、电、磁、光、原子物理。下面介绍几个中学常用的 传感器。 1 运动传感器 华南师范大学硕士论文 工作原理：通过传感器发出超声波射在被测物体上，再经被测物体反射回来， 数据采集器能根据声速和音速脉冲单程路程所花的时间，测量出运动 物体的位移、速度、加速度大小以及随时问变化的关系。根据实验的 要求不同，通过软件设景，运动传感器的触发率可在每秒5 次一1 2 0 次范围内变动。运动传感器所测的距离范围约为0 1 5 米至8 米。 运动侍感舞 2 测力传感器 工作原理：以具有压电效应的物质为基础( 如石英等单晶体和 人造压电陶瓷等多晶体) ，将压力等被测量物理量转换为电信号 输出的滑动式传感器。压电式传感器的压电转换元件是一种典型的 测力传感器 力敏元件，具有自发电和可逆两种重要性能，且体积小，结构简单，工作可靠， 固有频率高，灵敏度和信噪比高等优点。 力传感器输出的电压范围是一8 v _ 一十8 v ，所承受力的范围为一5 0 n - - + 5 0 n ，当 测量压力时被设为正向输出，即电压+ 8 v 对应着5 0 n ；当测量拉力时被设为负向 输出，即电压一8 v 对应着5 0 n 。 3 温度传感器 工作原理：温度传感器采用比较精密的温度灵敏元件组合的电 路，转化的输出电压是以实际的温度按比例成线性变化的。所测温 度范围为一5 一+ 1 0 5 ，精确度达到1 ，输出电压与温度的比率是1 0 m v 4 电压传感器 电压传感器所测交直流电压的范围是1 0 v 一十1 0 v ，探针的 末端有香蕉和鳄鱼夹两种插头，可以用来研究电路的电压、电阻、 电容、电镀、功放等。 5 电流传感器 电流传感器用于测量电路中的电流，电流传感器的内阻专门设 为1 欧，根据欧姆定律，其输出电压信号的大小在数值上等于通过的 电流。电流传感器所通过的电流范围是o 一1 - 5 a 。 3 1 3 软件 “科学工作室”s c i e n c e r k s h o p 数据采集器系统提供的应用软件包括中文 版和英文版两种。软件内还包括2 4 0 个已预设的物理实验。该软件有更多的工具 1 4 数据采集器运用于中学物理实验的研究 r o s e a r c h0 1 1 t h e 印p l i c a t i o n o f d a t a l o g g e r i n m i d d l es c h 0 0 l p h y s i c se x p e r i m e n t s 条模块，使用户界面更为方便。传感器具有接入指引功能，数据图形统计、适配 功能更为强大。( 软件的大致界面如图3 1 ) 软件界面主要包括五部分：数据显示 窗口、实验设置窗口实验备注窗口、信 号发生器窗口、实验计算器窗口。 下面给大家介绍软件的简单使用情况： 鼠标双击图3 2 ，进入科学工作室软 件界面图3 1 ，假如采集器接口插入的是 数字传感器，则把面板上的数字按钮拖 车图以7 5 0 接口界面为铡- 5 0 0 蒜口界面与它类似雷 1 入到对应的数字通道接口上，出现窗口图3 3 ，可选择实验所用数字传 开始采集数据。当一组数据采集完毕时，点击 按钮，数据区将出现图3 5 数 据静1 。要观察实验结果可把面板上的图表和表格按钮拖入传感器符 号上，就会显示所采集的数据，以及所测物理量随时间变化的关系 图线( 图3 6 、图3 - 7 以测力传感器为例) 。如果你想同步观察数据 的变化情况，则先把图表和表格按钮拖入传感器区，再开始采集数 据。如果要对数据进行统计处理可按溯图标，出现图3 8 的菜单， 1 圉3 - 6 选择所需的统计方法，就会出现相应的结果。数据的保存、删除与m i c r o s o f tw o r d 软件类似。下面介绍一下如何用采集器5 0 0 接口脱离电脑采集数据。 华南师范大学硕士论文 圉3 - 8 5 0 0 接口在离线采集数据之前与7 5 0 接口完全一样，在软件面板上选定传感器 ，设定参数，设置采样率并保存该文件，当这一切做好后，选择桌面菜单“实验”， 会弹出下拉菜单( 图3 9 ) ，选择离线录取数据关闭窗口，拔 掉电脑与5 0 0 接口相连的r s 2 3 2 线。采完数据，再把5 0 0