王成友

摘 要：数字化实验作为一种新的教学方式和新型课程资源，以学生的真实实验为基础，用传感器进行实验数据的测量，通过计算机对实验数据进行处理，实现了信息技术与初中物理课程的有效整合.笔者尝试用拉力传感器测量滑轮组的机械效率，用数字化实验系统对传统实验进行改进.

关键词：数字化实验系统；传感器；滑轮组；机械效率

今年3月，我校建成了两个数字化探究实验室——物理和化学各一个，物理实验室配备有15套数字化实验系统、数字化演示实验器材和一套VR，可以开展系列数字化物理实验，如：测量小车速度、研究液体吸热实验、摩擦力实验、作用力与反作用力实验、浮力定律、电阻定律实验、常规电学实验等.极大地改善了我校的实验条件，为我校物理、化学和生物教学提供了较好的实验环境和课程资源.本文以“测量滑轮组的机械效率”为例，探索数字化实验系统在初中物理教学中的应用.

一、数字化实验系统简介

1.数字化实验系统的组成

数字化实验系统是以真实实验为基础，通过传感器替代传统的仪表，将采集到的实验数据通过接口设备交由数据处理器（如计算机、图像计算器、平板电脑等），经过分析处理，从而能够更加清晰、明确地展示现象，揭示科学规律.数字化实验系统既是对传统理科实验教学的有效补充，又是对传统理科实验教学的变革.数字化实验系统主要由传感器、接口设备和数据处理器组成的多功能测量系统，系统运作模式如图1所示.

系统各组件功能说明：传感器用来快速、高精度适时采集科学实验中各种数据；接口设备接受来自传感器的数据并输入计算机，能够同步记录模拟和数字信号，具有极高的采样率；数据处理器是整个数字化实验系统的核心，具有数据采集、计算、分析及实验结果展示等功能.数据处理器具有智能工具、曲线拟合、计算器、选定统计、坐标变换、设置值、任务清除、数据/图形、智能仪器显示等功能.例如， “数据/图形”可用来存储、编辑、打印，并可转存为 Excel/ Word文档进行处理，方便学生完成实验报告；“曲线拟合”可以实现从最基本的线性拟合到自定义拟合.

2.数字化实验系统的优势

（1）数字化实验系统的功能十分强大，提高了教学效率

数字化实验系统含有硬件和数字化实验室专用软件.它发挥了传感器和计算机的优势，实现了高精度、高速度和自动化测量，采集到多种完整、动态的信息，并且能够对实验数据作出多维的、综合性的分析处理.这样就把教师和学生从繁琐的、重复性的劳动中解放出来，集中精力于设计实验方案、归纳总结、交流信息和从中发现规律.通过传感器快速而高精度地完成力、热、声、光、电等各类实验中数据的实时采集，并由计算机完成数据处理、计算、分析来展示真实的实验结果，使教学轻松而高效.

（2）创新教学手段，促进信息技术与课程的全面整合

“信息技术应包括：现代感应技术、通讯技术、计算机智能技术和控制技术.”科技的进步必然促进教育的发展，近年来信息技术的飞速发展，给教育教学领域带来翻天覆地的变化，新型的教学设备提供了全新的教学手段，开拓了全新的视野，更产生了全新的成果，其中信息技术与学科教学的整合已经成为世界教育领域发展的潮流.

科学的本质是探索真理和发现真理，但是由于种种原因，信息技术与课程的整合一直停留在比较肤浅的层面上，数字化实验系统的出现从根本上解决了这一问题，它从初中物理教学的重要环节——实验入手，通过数字化的实验设备去解决初中物理教学中的问题，不仅提高了教学效率，解决了教学难题，更进一步培养了学生的动手能力和探究精神.

（3）更新教学理念，适应新课程和“互联网+”时代的需要

现代教育的理念是不仅要使学生获得一定的知识和技能，更要通过学习过程养成科学的思维和研究方法，还要形成正确的情感、态度和价值观.新课程提倡全面发挥学生的主动性，使学生较为深入地学习物理、化学、生物实验的有关理论、方法和技能，进一步提高学生的实验素养.主要表现为，激发学生实验探究的兴趣，增强学生的创新意识，培养学生实事求是、严谨认真的科学态度，养成交流與合作的良好习惯，发展学生的实践能力等方面.

新课程标准要求学生通过强化实验方案的自我设计，深入对实验过程和实验误差分析，重视对实验方案和实验结果评估.而数字化实验系统在激发学生兴趣，促进师生对实验过程探究、实验误差分析、实验结果评估等方面显然具有传统实验设备无法超越、无可比拟的优势.

二、用数字化实验系统测量滑轮组的机械效率

数字化实验系统在初中物理教学的常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入等方面具有很广阔的应用前景.例如，用拉力传感器和“SenseDisc iLab数字化实验系统”软件，即可改进“测量滑轮组的机械效率”实验.

1.用弹簧测力计测量滑轮组的机械效率

《义务教育物理课程标准》对机械效率的要求是：“知道机械效率.了解提高机械效率的途径和意义.测量某种简单机械的机械效率.”滑轮组的机械效率通常用弹簧测力计和刻度尺测量，所用装置如图2所示，需要测出拉力F、拉力移动的距离s、提升的钩码的重力G和钩码上升的高度h，然后计算滑轮组的机械效率.并改变钩码的重力和滑轮的重力进行多次测量，从而探究滑轮组的机械效率的大小与哪些因素有关.本实验测量准确与否的关键是弹簧测力计必须沿竖直方向匀速向上拉动，才能准确测出拉力F的大小，从而较准确地测出滑轮组的机械效率，才能通过数据分析出影响滑轮组机械效率大小的因素.

但是，用弹簧测力计测量拉力F会出现以下问题：弹簧测力计很难实现匀速拉动，其示数不稳定，且弹簧测力计在运动中读数，不易准确读出拉力F的大小.利用拉力传感器和数字化实验系统来测量，即可解决以上问题.

2.用数字化实验系统测量滑轮组的机械效率

（1）实验装置及器材：滑轮组一套（本例组装成拉动滑轮的绳子段数为3的滑轮组，滑轮1重为024 N，滑轮2重为006 N，事先已用拉力传感器测得）、铁架台、钩码一盒（每个钩码重为198N，事先已用拉力传感器测得）、拉力传感器、智能数字实验盘、计算机等.实验装置如图3所示，拉力传感器可以准确测量拉力F的大小，并通过智能数字实验盘传输给计算机，由计算机进行数据的处理和分析.

（2）实验操作：

①搭建实验：组装滑轮组.将拉力传感器与智能数字实验盘相连，再将智能数字实验盘用数据线与计算机相连.

②软件设置：由于“数字化实验系统”软件中并没有直接测量滑轮组机械效率的版块，需要利用“公式编辑器”编辑滑轮组机械效率的计算公式（本例不再测量钩码上升的高度和拉力移动的距离，计算公式简化为η=G3F）.公式编辑时，先添加钩码的重力G（作为变量添加），如图4所示；再编辑添加机械效率的计算公式，如图5所示.实验时间设置为5秒，数据测量时间间隔为100毫秒，系统会自动记录51次实验数据.

③进行测量：

第一次用滑轮1提升1个钩码，用拉力传感器拉动绳端竖直向上匀速上升，测出拉力大小，软件自动记录实验数据；手动输入重力（198N）后，系统自动计算出机械效率，如图6所示为第30次至第51次实验数据.将数据导出为Excel文件，在Excel文件中求取平均值为697159%，如图7 所示.

第二次测量用滑轮1提升2个钩码的机械效率，求取平均值为814239%，测量结果如图8所示.

第三次测量用滑轮2提升1个钩码，求取平均值为721431%，测量结果如图9所示.

第四次测量用滑轮2提升2个钩码的机械效率，求取平均值为820594%，测量结果如图10所示.

（3）实验分析：实验数据汇总如表1所示.

分析数据可得结论：对比1、2或3、4实验数据可知，所用滑轮相同时，提升的钩码越重，滑轮组的机械效率越大；对比1、3或2、4可知，提升的钩码相同时，所用滑轮越轻，滑轮组的机械效率越大.

（4）与传统实验相比的优点：拉力由拉力传感器连续测出51组数据，可判断是否匀速拉动，实验发现在误差范围内，拉力存在003N的波動，基本稳定；数据由计算机自动计算和处理，节约了课堂时间，提高了测量的精确度；通过数据发现了影响滑轮组机械效率的因素，有利于培养学生的探究能力和数据分析能力.

数字化实验系统应用于初中物理教学，有利于初中物理新课程的推进，有利于传统教育技术与“互联网+”时代新的教育技术结合，必将深受学生和教师的欢迎.基于数字化实验系统的初中物理教学也必将在常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入三个应用层次上大有可为.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部义务教育物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2011

[2]任伟德中学使用数字信息系统实验仪器的探讨和思考[J].教学仪器与实验，2007，23（01）：58-61

[3]蒋永贵，吴俊明新课程背景下的数字化实验室及其在中学理科教学中的应用[J].中国电化教育，2006（11）：45-48