基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開發(fā)高中物理課程資源的理論與實(shí)踐

劉茂軍+馬俊

摘 要：課程資源是課程順利實(shí)施的重要保障.基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開發(fā)高中物理課程資源，體現(xiàn)了教育信息化發(fā)展、高中創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，可以有效實(shí)現(xiàn)教師教學(xué)形式的多樣化、有效化，提升教學(xué)效果.實(shí)施方法包括：利用數(shù)字化傳感器開發(fā)實(shí)驗(yàn)室資源、開發(fā)課堂教學(xué)資源、開發(fā)課外資源等三個(gè)方面，這一研究有效提高了高中生的培養(yǎng)質(zhì)量，產(chǎn)生了較大的應(yīng)用推廣價(jià)值.

關(guān)鍵詞：數(shù)字化傳感器平臺(tái)；高中物理；課程資源

作者簡(jiǎn)介：劉茂軍（1978-），男，遼寧東港人，吉林師范大學(xué)副教授、教育學(xué)博士、碩士生導(dǎo)師，研究方向：物理課程與教學(xué)論；馬俊，吉林師范大學(xué)物理學(xué)院研究生.

1 研究背景

20世紀(jì)80年代以來(lái)，人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，現(xiàn)代信息技術(shù)尤其是數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS（Digital Information System）越來(lái)越多地進(jìn)入學(xué)校教育之中，數(shù)字化傳感器（Digital sensor）系統(tǒng)是其中的典型代表.由于數(shù)字化傳感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，[1]被越來(lái)越多地應(yīng)用于高中物理課程資源開發(fā)過(guò)程，為高中物理課程提供多樣化的資源支持，有效地促進(jìn)了高中生科技意識(shí)、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).這不僅符合高中物理的教學(xué)實(shí)踐要求，也符合信息技術(shù)與學(xué)科課程深度融合的要求，更有利于課程改革的深入開展.

課程資源是支持課程教學(xué)的有用資源，是設(shè)計(jì)課程目標(biāo)、實(shí)施教學(xué)過(guò)程和評(píng)價(jià)教學(xué)結(jié)果的所有資源的總稱，是課程順利實(shí)施的重要保障.數(shù)字化傳感器平臺(tái)是信息技術(shù)與教育深度整合的典型代表，在高中物理課程資源開發(fā)中具有顯著優(yōu)勢(shì).數(shù)字化傳感器平臺(tái)是傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)技術(shù)有效結(jié)合的產(chǎn)物，傳感器將所檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，數(shù)據(jù)采集器又將這些電學(xué)量轉(zhuǎn)變成能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái).數(shù)字化傳感器系統(tǒng)具有精確度高、靈敏度高、即時(shí)性強(qiáng)、可重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)，而且操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)圖像準(zhǔn)確清晰，數(shù)據(jù)易于處理.結(jié)合數(shù)據(jù)采集器和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，數(shù)字化信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)微觀現(xiàn)象直觀化、數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、圖象過(guò)程自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理智能化，便于學(xué)生更直觀地觀察現(xiàn)象、更準(zhǔn)確地分析結(jié)果，大大提高了教學(xué)效率.

基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)的高中物理課程資源開發(fā)，是高中教學(xué)利用數(shù)字化傳感器平臺(tái)進(jìn)行物理課程資源的開發(fā)，并將之有效應(yīng)用于高中物理教學(xué)過(guò)程之中，從而實(shí)現(xiàn)教師教學(xué)形式的多樣化、有效化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容的掌握，提升教學(xué)效果.本成果所運(yùn)用的數(shù)字化傳感器平臺(tái)主要包括PASCO數(shù)字化操作系統(tǒng)和朗威DISLab數(shù)字化操作系統(tǒng)兩種.資源開發(fā)內(nèi)容包括：利用數(shù)字化傳感器平臺(tái)開發(fā)高中物理實(shí)驗(yàn)資源、課堂教學(xué)資源、課外資源，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享等等.

2 研究意義

2.1 適應(yīng)教育信息化發(fā)展的需要

1980年代以來(lái)，現(xiàn)代化的教育技術(shù)手段在課程改革過(guò)程中一直受到重視，尤其是現(xiàn)代信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷融合，使得教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)模式等各方面產(chǎn)生了深刻的變革，傳統(tǒng)教學(xué)不斷向信息化教學(xué)轉(zhuǎn)變.在各類信息技術(shù)中脫穎而出的是數(shù)字化信息系統(tǒng)，數(shù)字化傳感器平臺(tái)是其中的典型代表，它以其優(yōu)良的性能有力地推動(dòng)了高中物理課程資源的數(shù)字化進(jìn)程.利用數(shù)字化傳感器平臺(tái)開發(fā)高中物理課程資源，體現(xiàn)了高新技術(shù)手段與高中物理的緊密結(jié)合，可以為信息化技術(shù)在中學(xué)教育中的推廣提供示范，促進(jìn)信息化技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，有效促進(jìn)教育信息化的理論研究與實(shí)踐探索.[2]作為未來(lái)世界科技發(fā)展生力軍的高中生在高中階段接觸、熟悉、運(yùn)用傳感器是信息化發(fā)展的必然要求.

2.2 符合高中創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，創(chuàng)新能力越來(lái)越成為一個(gè)國(guó)家國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)際地位最重要的決定因素.高中階段是學(xué)生思維發(fā)展的關(guān)鍵期，高中階段的教育對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新能力尤為重要.數(shù)字化傳感器在高中物理課程資源開發(fā)過(guò)程中的合理運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.首先，計(jì)算機(jī)和傳感器等數(shù)字化手段應(yīng)用于物理過(guò)程的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，可以更快捷、更準(zhǔn)確地得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并能顯示微小量、瞬間量等，節(jié)省了寶貴的課堂時(shí)間，高中生可以把更多的精力放在對(duì)物理過(guò)程的分析和研究上；其次，在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)上，利用傳感器的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，可將學(xué)生從簡(jiǎn)單、機(jī)械、繁瑣的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中解脫出來(lái)，讓他們有更多的時(shí)間和精力去分析和思考.因此，利用數(shù)字化傳感器開發(fā)高中物理課程資源有利于高中生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展，符合新時(shí)期創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要.

2.3 促進(jìn)數(shù)字化傳感器應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需要

雖然數(shù)字化傳感器在高中物理教學(xué)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)一些發(fā)達(dá)省份的高中應(yīng)用較為廣泛，但目前數(shù)字化傳感器的應(yīng)用仍然存在現(xiàn)實(shí)問(wèn)題.筆者在對(duì)吉林省高中數(shù)字化傳感器使用的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，一些高中沒(méi)有配備數(shù)字化傳感器，部分配備數(shù)字化傳感器的高中沒(méi)能合理利用傳感器，甚至出現(xiàn)器材閑置的情況.究其原因，主要是教師沒(méi)能意識(shí)到傳感器的重要價(jià)值，無(wú)法科學(xué)地將傳感器應(yīng)用到高中物理教學(xué)之中.因此，利用傳感器開發(fā)高中物理課程資源，在不同物理課程環(huán)節(jié)展示數(shù)字化傳感器的實(shí)際應(yīng)用，可以為高中物理教學(xué)開發(fā)數(shù)字化傳感器資源提供示范和引領(lǐng)作用，從而提高數(shù)字化傳感器在高中物理教學(xué)中的實(shí)踐效果.

3 研究?jī)?nèi)容與實(shí)施方法

3.1 利用數(shù)字化傳感器開發(fā)實(shí)驗(yàn)室資源

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和要求，在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)施的過(guò)程.[3]利用數(shù)字化傳感器開展高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要分為測(cè)量性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)等三種類型，每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都實(shí)現(xiàn)了定量的實(shí)驗(yàn)要求，解決了高中物理部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法定量的難題.例如，運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材只能定性演示法拉第電磁感應(yīng)定律的基本現(xiàn)象，運(yùn)用數(shù)字化傳感器開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，則可以對(duì)電動(dòng)勢(shì)、磁通量變化量、變化時(shí)間等物理量進(jìn)行精確測(cè)量，從而定量驗(yàn)證該定律.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、合作能力等都具有重要作用.endprint

3.1.2 實(shí)驗(yàn)拓展

實(shí)驗(yàn)拓展是指在教材原有實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行延伸、擴(kuò)展、深化，從而開闊學(xué)生的知識(shí)視野，拓展學(xué)生的研究思路，使學(xué)生達(dá)到舉一反三的目的.例如，運(yùn)用數(shù)字化傳感器將教材中“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，拓展為“質(zhì)量恒定”、“力恒定”等兩種情況分別研究，并進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂罁?jù)牛頓第二定律原理測(cè)量未知物體的質(zhì)量，從而極大拓展了實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果.

3.1.3 實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)探究是指學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)未知的實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行探究的過(guò)程，它是高中物理十分重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式.一般來(lái)說(shuō)，涉及多個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)或多學(xué)科原理的綜合性實(shí)驗(yàn)較為適合實(shí)驗(yàn)探究.例如，探究水果電池電動(dòng)勢(shì)的影響因素實(shí)驗(yàn)，至少涉及物理、化學(xué)兩個(gè)學(xué)科的知識(shí)，影響變量多，開展實(shí)驗(yàn)探究的效果較好.實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)生深化課堂知識(shí)、靈活運(yùn)用知識(shí)的重要渠道，極大提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力.

3.2 利用數(shù)字化傳感器開發(fā)課堂教學(xué)資源

3.2.1 開展教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)是指教師依據(jù)教育教學(xué)理論、教學(xué)藝術(shù)原理，以獲得優(yōu)化的教學(xué)過(guò)程為目的，以系統(tǒng)理論、傳播理念、學(xué)習(xí)理論和教學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行的策劃，教學(xué)設(shè)計(jì)是課堂教學(xué)的藍(lán)圖.數(shù)字化傳感器的運(yùn)用拓展了高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)的方式，豐富了教學(xué)設(shè)計(jì)的形式.[4]筆者主要開發(fā)了以下課型的教學(xué)設(shè)計(jì)：①基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開展概念課的教學(xué)設(shè)計(jì)；②基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開展規(guī)律課的教學(xué)設(shè)計(jì)；③基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開展練習(xí)課的教學(xué)設(shè)計(jì)；④基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開展復(fù)習(xí)課的教學(xué)設(shè)計(jì)；⑤基于數(shù)字化傳感器平臺(tái)開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)設(shè)計(jì).通過(guò)數(shù)字化傳感器的運(yùn)用，高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)的手段更加豐富，教學(xué)組織形式更加多樣，教學(xué)目標(biāo)更容易實(shí)現(xiàn).

3.2.2 進(jìn)行課堂演示

課堂演示是高中物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生直觀地觀察現(xiàn)象，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高教學(xué)質(zhì)量.數(shù)字化傳感器操作簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成數(shù)據(jù)圖表、函數(shù)擬合，非常適合課堂演示.高中物理課堂教學(xué)中的課堂演示包括：①整個(gè)過(guò)程演示：利用數(shù)字化傳感器將物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)生過(guò)程，用圖表、直方圖、示波器等功能記錄整個(gè)過(guò)程曲線，顯示整個(gè)過(guò)程的完整數(shù)據(jù)；②部分過(guò)程演示：為了分析某個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和曲線，截取部分過(guò)程進(jìn)行演示分析；③實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)演示：利用數(shù)字化傳感器的儀表、數(shù)字等功能，實(shí)時(shí)展示物理過(guò)程的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生直觀感受數(shù)據(jù)變化，分析、總結(jié)科學(xué)過(guò)程的基本規(guī)律.課堂演示有效調(diào)動(dòng)了高中生多種感官參與教學(xué)，學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和廣度得到了拓展，學(xué)習(xí)能力得到了提高.

3.3 利用數(shù)字化傳感器開發(fā)課外資源

3.3.1 開展科技社團(tuán)活動(dòng)

課外科技活動(dòng)是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的延伸和擴(kuò)充，有利于增強(qiáng)高中生對(duì)教材內(nèi)容的感知，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，對(duì)提高課堂教學(xué)質(zhì)量有著積極的促進(jìn)作用.筆者在永吉實(shí)驗(yàn)、撫松一中等實(shí)踐學(xué)校開展科技社團(tuán)活動(dòng)，主要采取了以下措施：①組織了數(shù)字化傳感器的學(xué)生社團(tuán)，參與各類科技比賽項(xiàng)目；②由高中教師、大學(xué)教師組成顧問(wèn)組，對(duì)科技活動(dòng)進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)，保障了課外活動(dòng)的順利開展；③委派熟悉傳感器的專任教師、學(xué)生對(duì)優(yōu)秀課外科技活動(dòng)作品進(jìn)行宣傳、展示，并在高中開展了“科技活動(dòng)周”等活動(dòng)，使所有學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與高科技產(chǎn)品的使用.運(yùn)用數(shù)字化傳感器開展科技活動(dòng)，培養(yǎng)了高中生團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)和能力，形成了良好的科技創(chuàng)新氛圍.

3.3.2 組織參加機(jī)器人競(jìng)賽

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作指令的機(jī)器裝置，其設(shè)計(jì)過(guò)程中大量運(yùn)用傳感器.在運(yùn)用數(shù)字化傳感器進(jìn)行物理教學(xué)過(guò)程中，高中生對(duì)傳感器的特點(diǎn)、使用、原理等都有了深刻的認(rèn)識(shí)，這些是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ).筆者在合作學(xué)校積極組織高中生參加各類機(jī)器人比賽，包括沈陽(yáng)二中、吉林大學(xué)附屬中學(xué)（高中部）、海南省洋浦中學(xué)等，其中沈陽(yáng)二中獲得第十五屆中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽FLL挑戰(zhàn)賽一等獎(jiǎng)，獲得了驕人的成績(jī).高中生參加機(jī)器人競(jìng)賽，極大地提高了學(xué)生傳感器的使用和設(shè)計(jì)能力，提高了高中生的創(chuàng)新能力.

4 研究成果與反思

4.1 取得了一系列研究成果

承擔(dān)和完成省級(jí)相關(guān)社科、教科研究課題2項(xiàng)；出版了《傳感器與中學(xué)物理探究實(shí)驗(yàn)》（科學(xué)出版社）教材1部；在《福建教育學(xué)院學(xué)報(bào)》、《中學(xué)物理教學(xué)參考》、《物理教師》等刊物發(fā)表論文10余篇，其中CSSCI期刊3篇；實(shí)踐學(xué)校運(yùn)用開發(fā)的課程資源獲得市級(jí)教學(xué)新秀、優(yōu)質(zhì)課共計(jì)30余人次.

4.2 提高了高中生的培養(yǎng)質(zhì)量

通過(guò)高中物理教師對(duì)數(shù)字化傳感器的有效利用，實(shí)踐學(xué)校主要圍繞高中物理不同板塊的主題開發(fā)了多樣化的課程資源，這些資源在實(shí)踐學(xué)校的使用平均每學(xué)期超過(guò)50學(xué)時(shí)，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，拓展了學(xué)生的思維.在實(shí)踐過(guò)程中，實(shí)踐學(xué)校理科高考分?jǐn)?shù)普遍提升10分左右.參與研究的高中生多次獲得FLL機(jī)器人世錦賽亞軍、遼寧省機(jī)器人競(jìng)賽（高中組）一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，有效提高了高中生人才培養(yǎng)質(zhì)量.

4.3 提高了物理教師課程資源開發(fā)的意識(shí)與能力

參與實(shí)踐的高中教師對(duì)以傳感器為手段開發(fā)課程資源產(chǎn)生了濃厚的興趣，提高了高中教師開發(fā)課程資源的意識(shí)與能力，共計(jì)開發(fā)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)類資源案例50余個(gè)，課堂教學(xué)演示80余個(gè)，教學(xué)設(shè)計(jì)案例100余個(gè).正如參加實(shí)踐的李微教師說(shuō)的：“我深深體會(huì)到了傳感器對(duì)高中物理課程資源開發(fā)的重要影響……也讓我學(xué)會(huì)了開發(fā)課程資源的基本方法，提高了教學(xué)研究意識(shí)和能力，我也會(huì)繼續(xù)結(jié)合傳感器開發(fā)高中物理課程資源的相關(guān)研究開展進(jìn)一步的實(shí)踐探索.”

4.4 產(chǎn)生了較大的社會(huì)影響

本成果可以有效指導(dǎo)本省乃至全國(guó)其他省份的高中物理課程資源開發(fā)，為中學(xué)一線教師提供可供借鑒的實(shí)踐模式.2017年3月14日《吉林日?qǐng)?bào)》（科教版）專門發(fā)表“數(shù)字化技術(shù)提升學(xué)生創(chuàng)新能力”的宣傳報(bào)道，對(duì)本成果給予了充分肯定.北京師范大學(xué)李春密教授認(rèn)為：該成果緊密結(jié)合當(dāng)前教育改革實(shí)際，拓寬了高中物理課程資源開發(fā)的途徑，凸顯了課程資源開發(fā)的特色，對(duì)提高高中學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力具有積極的作用.東北師范大學(xué)于海波教授認(rèn)為：該研究系統(tǒng)、深入，實(shí)踐效果好，影響廣泛，是高中物理課程資源開發(fā)的成功案例.

4.5 產(chǎn)生了較大的應(yīng)用推廣價(jià)值

本成果曾在全國(guó)師范院校師范生教學(xué)技能競(jìng)賽、吉林省中小學(xué)教師教學(xué)競(jìng)賽中運(yùn)用，獲得了評(píng)委和專家的肯定與好評(píng).先后有多所高中開展了實(shí)踐研究，取得了令人滿意的效果，吉林省撫松縣第一中學(xué)、集安市第一中學(xué)、永吉實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)、長(zhǎng)春市第六中學(xué)、北京一五六中學(xué)、江蘇省鎮(zhèn)江第一中學(xué)、遼寧省丹東市第二中學(xué)、沈陽(yáng)市第二中學(xué)、海南洋浦中學(xué)等10余所高中借鑒采用了本成果.數(shù)字化傳感器是高新科技在物理教學(xué)中應(yīng)用的典型代表，為物理課程資源開發(fā)提供了良好的開發(fā)平臺(tái).

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