秦宇飞　杨晓辉　张进富　黄国锋　柴万东

摘 要：物理是以观察、实验和逻辑相结合的科学，物理实验在物理教学过程中具有极其重要的作用，现有实验课中由于部分实验仪器自身局限性，出现定量研究不够精细、数据处理效率低、不能更好地拓宽学生的知识面等问题。本文以“做功改变物体内能”实验为例，将传感器引入初中物理实验中，通过引入气体压强传感器、温度及湿度传感器，对实验过程中物理量的细微变化进行探测并实时显示，结合相应软件得出相关物理量变化曲线图，使实验过程及结果更加直观可靠。

关键词：双减;教学效率;传感器;改进实验

中图分类号：G420  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2022）04-0082-03

1 实验教学改进的必要性

1.1 时代背景的需求

2021年7月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》，指出要“大力提升教育教学质量，确保学生在校内学足学好”。“双减”背景下要求学校教育要以“减负增效”为导向，教师要在有限的教学时间之内改进教学手段保证教学质量，提升学生的学习兴趣，提高教学效率。初中物理的教学内容多是以学生的生活和经验为背景，根据物理现象，总结物理规律，揭示物理本质。“双减”政策使学生有了较充分的时间，通过改进物理实验装置，可提高学生的参与热情、激发培养学生的学习兴趣、开拓学生的知识面、更好地提高教学效率。

1.2 物理课程标准的要求

根据《义务教育物理课程标准》（2021版），“物理是一门注重实验的自然科学基础课程，此阶段的物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力”[1]。生动有趣的演示实验，有助于提高学生的学习兴趣，理解抽象的物理规律;直观形象的物理现象及数据显示，可以培养学生的观察能力;精确的实验数据分析可以提高分析问题解决问题的能力，培养学生严谨的科学态度。现有物理实验仪器存在定量研究不够精细、数据处理效率低的局限性。

1.3 科技发展的必然

现如今信息科学技术高速发展，传感器等科学技术广泛应用于生活生产实践当中。日常生活中自动控制温度的电饭锅、远距离控制的自动开关门、电视遥控器和手机中横屏竖屏的切换;工业生产中测量工厂内湿度的湿度计、烟雾报警器等都用到了传感器及相关技术。初中物理教材实验中也多次提到传感器技术的应用，人教版初中物理教材中的“用传感器比较不同物质的比热容”“电磁波的发射与接收”“用传感器研究气体压强和流速的关系”“利用传感器观察不同音叉波形”都用到了传感器[2]。把传感器等现代科技设备引入初中物理实验教学中，对物理实验装置进行改进，使用传感器采集相应的物理量并实时直观显示，用相应的软件对数据进行处理，得出物理量变化规律的图像。使实验精细化、可视化且易于操作，方便深入研究物理现象和规律，提高学生的参与热情以及实验能力，加强了课程内容与现代社会和科技发展的联系。

2 改进实验原则

2.1 科学性原则

九年级的学生在前面课程中已经学会温度计的使用，引入温度传感器不会削弱应有知识的掌握。实验装置的改进注重了可行性、安全性、易操作性、合理性、科学性等原则。能够保证实验教学的科学、准确，遵循物理客观规律，充分发挥实验的教学功能，充分体现教育价值。

2.2 贴近生活原则

根据新课标课程基本理念“使学生从生活走向物理”[1]，实验改进贴近学生生活，符合学生认知特点和思维水平，注重培养学生将科学技术应用于日常生活的意识，激发学生将日常生活用品和新科技产品紧密结合应用于物理实验探究的想法，培养学生参加、观察、制作、调查等科学实践活动的兴趣。

2.3 多样化原则

实验装置的改进，遵循了多样化原则，主要包括实验仪器选取的多样化和教学方式的多样化。实验仪器的选取不局限于文中所选物品，可以就地取材，多样化地选取与现代科技设备相关的及生活中常见的物品，引导学生亲自参与实验装置的制作和实验内容的探究，讓学生历经科学探究过程，掌握科学研究方法，达到“合理使用信息科学技术，培养创新精神和实践能力”[1]的课标要求。

3 “做功改变物体内能”实验改进

初中教材“做功改变物体内能”实验中，如何改变物体的内能以及用明显的实验现象展示内能的变化，得出科学的结论是教学难点。传统的实验装置存在着很大程度的不足，引入传感器等装置对原有实验装置进行改进，可以最大限度地克服这些困难，提升教学效率。

3.1 原实验方案中存在的不足

图1、图2为人教版初中物理内能一章中的演示实验。在图1中把硝化棉放入配有活塞的厚玻璃筒中，实验时把活塞迅速下压，硝化棉被引燃，说明气体温度升高，内能增加，证明做功可以改变气体内能;如图2中在瓶中装入少量水，不断向烧瓶充气至塞子跳起，可以看到瓶内出现白雾，瓶中水蒸气液化成了小水滴，说明气体膨胀对外做功，温度降低，内能减小，证明做功改变物体的内能。

图1装置空气压缩引火仪操作需要一定的力量和技巧，往往受压活塞的力度和速度不够，空气潮湿硝化棉受潮等因素制约，而导致演示效果不佳[3]，实验成功率较低，学生切身参与到实验操作当中有困难;对瓶内打气增大气体压强无法定量展示瓶内气压大小，学生会怀疑是否是由于压缩气体做功而导致内能发生改变;硝化棉燃烧放出有害气体污染环境。

图2装置由于温度变化不明显、后排学生看不清瓶内白雾、无法定量显示液化程度，导致学生对瓶内温度是否降低存在疑问;瓶内气压增大软木塞弹出存在安全隐患。

两装置没有直观反映物体内能变化的物理量，最好能用温度变化定量反映物体内能变化[4]，也无法定量反应瓶内气压的变化;压缩气体做功与气体膨胀对外做功是两个分立的实验，但是后者的前半个过程与前者重复，实验装置分离操作耗时耗力;玻璃壁质量问题和操作不当等会存在安全隐患。

3.2 实验改进方案

3.2.1 实验器材。温度传感器、压强传感器、湿度传感器、启普发生器、橡皮活塞、带桶玻璃胶枪、电脑、数据采集器、数据线、细绳、少量水、打气筒、热熔胶。

3.2.2 设计原理。利用帶桶的玻璃胶枪对启普发生器内气体进行压缩做功，将温度作为内能变化的量度，温度显示装置实时显示温度情况，电脑显示器显示温度随时间变化的图像，得出压缩空气做功与内能变化的关系;继续压缩气体直到活塞被弹出，观察温度的变化情况，同时利用压强传感器以及湿度传感器实时监测瓶内气压变化情况以及瓶内水蒸气液化情况。

3.2.3 装置制作。如图3所示连接装置，利用细绳线将活塞与启普发生器连接以防活塞飞出伤人;将压强传感器、湿度传感器、温度传感器探头从连接口伸入启普发生器，并且用热熔胶密封接口;将带桶的玻璃胶枪与启普发生器的另一连接口连接;将传感器、数据采集装置、数据显示装置连接。

3.2.4 实验操作。（1）接通传感器等装置电源。（2）塞上活塞，压缩气体观察压强变化以检查装置气密性。（3）在容器中加入少量水，注意保证传感器离水面有足够的距离。（4）塞上活塞后推动玻璃胶枪对启普发生器瓶内气体压缩;观察压强、温度及湿度变化。（5）继续压缩气体直至活塞弹出。（6）重复上述步骤，进行多次实验。（7）观察并分别导出电脑中如图4、图5、图6所示启普发生器瓶内的气压、温度、湿度值变化曲线图。

3.2.5 分析现象得出结论。推动玻璃胶枪对瓶内气体压缩做功，根据图4、图5、图6显示，在此过程中气压、温度、湿度值图线先上升，说明瓶内气压增大、温度升高、湿度升高（温度升高后水蒸气空间分布密度增大），由此得出压缩气体做功瓶内气体内能增大，机械能转化为内能;继续压缩气体直至活塞弹出，此时在启普发生器瓶内出现少量白雾，说明瓶内温度降低，瓶内部分水蒸气液化变为小水滴。在此过程中实验现象可能不明显，可以通过观察温度、湿度及气压数值的变化及图像中气压、温度、湿度值图线，定量说明瓶内气压减小、温度降低、湿度下降（水蒸气发生液化小水珠落回液面），得出气体膨胀对外做功，瓶内气体温度降低，内能减少，内能转化为活塞运动的机械能，总结得出做功可以改变物体内能的结论。

4 实验改进效果

4.1 安全可靠，成功率高

利用温度传感器测量温度反映物体内能的变化，避免使用硝化棉燃烧放出有害气体，在整个实验中未出现明火，实验更安全;用细线将活塞与启普发生器连接避免活塞飞出伤人，安全可靠;传感器感应系数灵敏度较高，准确及时反应压缩瓶中气压、温度、湿度变化情况，得出科学的实验结论。

4.2 现象明显，形象直观

改进实验既利用活塞弹出等显而易见的现象定性展示，又利用传感器定量测量瓶内气压、温度、湿度三者的变化情况得出变化曲线图，将三个物理量放在一起对比，看到三者的变化情况，学生可以清晰明了地看到启普发生器瓶内气压先减小后变大，温度和湿度先变大随着活塞弹出温度和湿度都下降，实验现象明显。使学生对做功可以改变物体的内能这一规律有比较清晰的认识[5]，符合初中生的思维发展水平，有利于学生由形象思维向抽象过渡。通过传感器测量的温度、气压、湿度值数据更加精确，更容易总结出温度变化、内能变化及做功的关系，有助于提高学生的总结能力，培养学生严谨的科学态度。

4.3 资源整合，省时省力

把教材中“压缩空气做功”实验和“气体体积膨胀做功”实验合二为一，将前者产生的高压气体应用于后者气体体积膨胀，充分利用实验资源。方便、直观、快速显示实验数据，减少实验时间，充分提高课堂效率，有利于贯彻落实“双减”政策中“减负增效”的教育要求。

4.4 易于操作，切身体验

教材中实验由于安全性以及需要一定的操作技巧，只能教师演示学生观看，改进实验由于传感器可对实验过程中的物理量细微变化进行探测，利用玻璃胶枪杠杆省力，实验操作难度较低，学生操作也能得到相应的物理量变化曲线，完全可以让学生亲自参与到实验探究历程当中，通过亲自组装、操作实验，有助于理解抽象的物理规律，提高动手能力，贯彻“从做中学”的实验教学理念。

4.5 联系生活，启发教育

此实验改进装置中，气压、温度、湿度传感器都是学生日常生活中所接触现代科技产品的组成元件，装置中的废旧玻璃胶枪桶也是生活中常见的物品，这些实验仪器具有生活化、科技化等特点。装置制作和实验探究过程中可以启发培养学生将科学应用于日常生活，将日常生活中的物品应用于科学探究的意识，培养学生的创新意识，激发学生的学习热情。学生亲自操作具有现代科技感的传感器实验装置也能培养其将科学技术服务于人类的责任感和使命感。

4.6 激发兴趣，学科渗透

本实验的授课对象是九年级学生，已具备一定的初中物理基础知识且对电子产品接触较多，对新型实验装置具有较大兴趣，利用传感器改进此实验可以培养学生对实验探究和科技知识的探索欲、求知欲，满足新课标要求;通过对传感器和相关配套软件的操作使用，可以促进学生对于信息技术方面知识的学习掌握，理解信息技术带给生活的便利，拓宽学生的知识广度。

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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（2021版）[S].北京：人民教育出版社，2021.

〔2〕刘作志.基于DIS的初中物理实验课程资源整合研究[D].青岛：青岛大学，2021.

〔3〕滕代安.做功改变物体内能实验的改进[J].中学物理教学参考，2019，48（10）：78-79.

〔4〕陈涛，刘全民，刘东利.“做功改变物体内能”改进实验[J].中学物理，2019，37（06）：30-32.

〔5〕张有建，李凤娇.做功改变物体内能实验仪器的改进[J].中学物理，2018，36（08）：24-25.

收稿日期：2022-01-06

通讯作者：柴万东（1971-），男，汉族，内蒙古赤峰人，硕士研究生导师，研究方向：传感器应用，基本教育理论。