顺德国华纪念中学 黄胜
摘要 ：本文主要分析了高一物理课程《探究形变与弹力的关系》中传统实验方法的不足，根据新课程改革关于对信息技术与物理课程的整合提出的具体要求，提出了基于PASCO数字化传感器实验系统的新实验模式，并通过实验获得数据并用Excel进行数据及图像处理，通过分析得出结论，验证了本次实验设计的可行性及有效性。
关键词：PASCO 形变弹力 整合 物理教学设计 传感器
一 新课标的要求
2003年国家新公布的新课程标准，对信息技术与物理课程的整合提出了具体的要求，尤其是将传感器列入中学物理课程。新的课程标准实验教材都有给定选题的科学探究实验，这些实验可以帮助学生很好地了解科学探究的性质。进行科学探究实验要有相应的科学探究实验仪器，其中，基于传感技术的多功能数字化实验系统备受关注。数字化实验以真实实验为基础，通过各种传感器替代传统的仪表，将实验数据采集之后交由计算机分析处理，能够更加清晰、明确地展示现象，揭示规律。
为了培养创新性人才，我校理科组提出以数字化实验平台为核心的信息技术与理化生实验课程整合，具体是指在先进的教育思想、教学理论与学习理论的指导下,运用以数字化传感器、数据采集器、配套软件、计算机和通信网络为核心的数字化实验环境作为学生自主实验与情感激励工具，改革传统的实验教学模式,创建新型的既发挥教师主导作用又充分体现学生主体作用的“同一化与个性化”共存的实验教学模式,实现实验教学内容、手段、方法、过程等全方位的系统性改革。
二 在传统教学模式中的不足
《探究形变与弹力的关系》是高一物理粤教版必修一第三章第一节的内容，在传统的教学过程中，一般是通过教师的讲述再结合实验去探究弹力和弹簧的形变的关系。根据高一学生思维的发展规律，学生在头脑中对该关系尚未形成感性的认识，在感性认识上达不到老师的高度，因而做实验也只能是老师说一步，学生做一步，缺乏主动性，也缺乏学习的激情。同时，传统的实验中的形变与弹力的关系不是连续性的，而是量化增加的，那么在量化之内的变化是如何呢？这个在传统教学过程中很难表达出来。另外，传统的实验必须通过描点作图然后可得到一条直线，而且在实际的教学过程中，很多学生反映得到的点并不在同一条直线，即理论与实际“不符合”，如何向学生做出感性的解释？这个在传统教学中难以解决的。
三 新模式的构建及原理
美国PASCO公司是专业物理教学仪器生产商，先进的教学仪器已经被世界上很多国家的高等院校广泛选用。在美国PASCO市场占有率达达7O％ 以上。PASCO除在美国本土销售外，还在全球大约60多个国家进行销售，在欧洲、美洲等国均拥有很高的市场占有率与声誉。在亚洲国家和地区的日本、韩国、中国（中国香港）、新加坡等PASCO享有相当高的市场占有率。目前国内用户有：北京大学、上海交通大学、华中科技大学、浙江大学、南开大学、中山大学、同济大学、上海大学等数十所高等学校（院）。在PASCO实验中，由于学生可以用不同传感器和实验配件自由组合，大大提高了学生的实验创造力。
PASCO物理实验设备不同于传统的教学仪器，它是采用传感器和先进的数据采集接口，配以专用的实验数据采集软件，利用电脑进行控制和数据采集的物理实验系统，主要包括3个部分：（1）传感器。利用先进的传感技术，实时采集实验中各种变化的物理量，现有传感器40余种。如：力传感器、旋转移动传感器、加速率传感器、压强传感器、电荷传感器、光传感器等等。（2）数据采集接口。将传感器的数据通过科学工作室输入计算机．最高采样频率为250kHz，750型接口还配有+／—5V，300mA的直流及交流的信号发生器。（3）数据采集软件。中英文应用软件。包括240个预设的物理实验，可以进行多种实验数据的显示形式和处理功能。
正是由于有上述的强大功能，使PASCO实验对物理教学有着巨大的促进作用。近年来，已有少量文献报道了利用PASCO设备研究和创新传统物理实验，收到很好的效果[1—4]。
在本次实验中把PASCO系统的数据采集接口通过USB接口与计算机连接，而与传感器的连接则采用自定义的开放的接口形式，有数字接口和模拟接口，本次实验采用模拟接口。其实验装置原理图如图1所示：
1、铁架台 2、力传感器 3、弹簧 4、挡板 5、运动传感器
其基本原理为：通过拉动弹簧3，使其长度发生变化，根据二力平衡原理可知产生的弹力等于对力传感器2的拉力，通过力传感器2采集弹力数据；同时，弹簧3的伸长量与挡板4的位移大小相等，并通过运动传感器（位移）采集位移数据，采集到的数据实时的显示在计算机屏幕上，最后通过曲线拟合得到力与弹簧长度的变化量的关系图。
二 器材的组装及实验过程
本次实验所需要的实验器材实物照片如图2所示：
1、计算机 2、运动传感器 3、被测弹簧组 4、挡板 5、数据采集器 6、力传感器7、铁架台
组装后的装置实图和部分细节实图分别如图3（a）、（b）所示：
实验过程中，首先把力传感器调零，把运动传感器调整为位移传感器并把实际距离与标准距离调成相等，然后把数据采集器的采样率设置为1Hz；接着启动数据采集软件，并在不超过弹簧的弹性限度的情况下缓慢的把挡板向下压动；最后停止数据采集，导出数据成txt格式并保存，同时保存图片。
二 数据及图像处理
本次实验共测量3条弹簧，它们的实图如图4所示：
对3个样品数据采集实图如图5所示：
图5中上部为位置——时间关系图，下部为力——时间关系图，其中位置——时间关系图中原始位置为1m，随着弹簧不断伸长，挡板与运动传感器间距不断减小，即位移不断增加；在力——时间关系图中系统默认推力为正，通过观察发现随着弹簧伸长，代表力的纵坐标的绝对值逐渐增大，故可以得出结论：随着弹簧伸长量的增加而弹力不断变大。通过图像，可以快速的判断出弹簧的伸长量与弹力的定性的关系。
为了定量的研究它们之间的关系，把它们的数据导出，并通过Excel进行数据处理和图像处理，如图表1、2、3和图6、7、8所示：
二 图像分析及实验结论
从实验数据所得到的3个图像来看，样本A和样本C的图像为一条过原点的直线，其中有个别突出来的点，这个属于测量误差，可能是由于在实验操作时手突然抖动，故能说明弹簧的伸长量与弹簧的弹力成正比。而样本B得到的是一条不规则的曲线，这个显然是由于实验操作不当所造成的，从数据采集图像来看，样本B的图像并不是一条直线，而是由于在后期控制缓慢下降时，突然加速导致，由于突然加速，在相同的位移内，弹力的变化量增加导致弹力——位移图像的斜率变小，即图线变平。当然，从统计学的角度来说，应该通过多次实验测量同一样本，综合处理数据得出结论，这也是本次实验的不足之处。从高中物理实验改革及教育信息化和培养学生的综合能力的角度来说，本实验的原理及设计有着独特的原创性和新颖性，对能力的综合度较高，而实验数据及图像处理结果证实：本次实验原理及设计是可行并且有效的。
参考文献
1、涂勤昌，卢海洋，李训谱．用PASCO仪器做碰撞演示实验[J]．物理实验，2003，23(5)：28—29．
2、张永炬，林新源．扩展光源照射下双缝干涉现象研究[J]．云南师范大学学报，2003，26(6)：55—57．
3、赖莉飞，王笑君．数据采集器运用于物理探究性学习的探讨[J]．物理实验，2003，23(7)：32—36．
4、唐晋娥，董有尔．PASCO实验中Leslie辐射源的研究[J]．实验科学与技术，2006(4)：60—62．
