物联网技术助力DIS改进高中物理实验教学

【摘 要】传统物理实验仪器的制约，导致了目前部分高中物理实验形同虚设；数字化信息系统（DIS）引入了传感测量技术；借助于物联网技术，DIS物理实验具有传统实验无法企及的优点；阐述了基于DIS的物理实验的相关理论并探索构建物联网实验室的设计方法；开展基于DIS的物理实验是新课程改革中学物理实验的必然趋势；旨在引进和倡导基于物联网技术的DIS物理实验。

【关键词】数字化信息系统（DIS）；物联网；无线传感器；物理实验教学；新课改

0 引 言

物理学是以实验为基础的自然科学, 通过实验可以促进学生正确形成概念和掌握规律,理解和掌握物理知识,培养学生的观察能力、动手能力、思维能力和创新能力。新课标提出：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。因此提高实验教学的有效性是物理教学的重中之重。

DIS，即数字信息系统实验（Digital Information System），是以真实实验为基础，借助传感器、计算机来完成的实验。它改变了传统的实验教学方法，形成新的教学模式。基于物联网技术的DIS物理实验是实时，准确的，它不同于传统的实验教学，学生可以自由的探究学习，这无疑会给传统低效的实验模式带来巨大冲击。

1 当前高中物理实验教学现状

教学实验简单化，实验过程程序化，操作实验书面化。不关注实验注意事项，不讲实验误差，以程序化的实验步骤开展教学，不注重启发与探究，以教师口头讲实验，学生观看多媒体视频来代替操作实验,甚至设计大量的实验习题，以“书面实验”代替“操作实验”。近3年来江苏高考物理实验得分率持续走低，学生实验操作能力低下，考察实验内容抽样得分率均未达百分之三十。

不是教师懒惰，更不是轻视实验教学的作用，造成这种尴尬局面的主要原因是实验仪器的制约。

例如：探究F合、m、a三者之间的关系（见图1）,需要知道力和加速度的即时大小，使用传统实验仪器来获取任意时刻F合、a两个变量值很难做到。广大教师开发智慧，设法固定一个变量F合而只需观察a的变化，使用滑轮加重物，以重物重力g代替恒定力F合（见图2）进行物理实验。可问题是此时重物呈加速下降的失重状态，绳子拉力小于所挂重物的重力，所以重物重力并不能真正代替绳子拉力。

这种实验器材注定了实验存在不可避免的误差。

2 DIS

DIS（Digital Information System）实验技术，又称“数字化信息系统”，是由“传感器＋数据采集器＋实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）＋计算机”构成的新型实验系统。

DIS实验系统配备有多种传感器，能够实时准确地测量各种物理量并转化成电信号送入数据采集器,多种传感器还可以组合进行更加仿真的实验，观察更多的物理量的变化；数据采集器接收各类传感器提供的电信号，并将其转换成能被计算机接收的数字量，通过数据线提交给计算机；计算机根据实验软件包，对获取的数字量进行分析处理，提供多种形式的数据展示。

DIS系统克服了传统物理实验仪器的诸多不足。首先，测量精度更高、更准确，并且实现了数据的实时记录。其次，计算机记录并处理实验数据，处理速度快，准确性高。第三，DIS实验采用多媒体进行实验过程和结果的展示，提高了实验的可视性、真实性。可见，DIS实验不是计算机与传统实验简单叠加，而是信息技术与物理实验的完美整合。

3 物联网技术

物联网是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。高中物理实验涉及的物联网关键技术有：传感器技术、无线传感器网络（WSN）技术、射频识别(RFID)技术、网络通信技术等。

在物理实验中，传感器将探测到的物理量转换为电学量，并提供输出，以便进一步处理显示、研究。

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。大量的传感器节点将探测到的数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户，从而真正实现“无处不在的计算”理念。

射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

适用于于高中物理实验的物联网通信技术主要有两类： IEEE 802.15.4/Zigbee协议和蓝牙技术。IEEE 802.15.4/Zigbee协议是基于IEEE802.15.4标准的一种短距离、低功耗的无线通信技术，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中去。蓝牙技术是一种全球开放性的短距离无线通信规范，采用快速跳频、前向纠错和优化编码等技术，被认为是近年来无线数据通信领域的重大进展之一。

4 物联网技术助力DIS实验

在教育领域，新课改倡导“为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具”，物联网无所不在、物物相连的组网技术为物联网时代的教学提出全新的信息化教学的理念。物联网技术在高中物理实验教学中的运用，就是用射频识别、无线传感器等设备取代传统验证性实验设备甚至DIS中的有线传感器，实现各个物理量数据的实时获取与共享。

（1）目前高中学校使用的DIS实验系统大多采用数据线实现传感器与数据采集器、数据采集器与计算机之间的连接。这种情况下，传感器和数据采集器都受到连接线的限制，有点施展不开。

蓝牙技术具有抗干扰能力强、通信质量稳定、功耗低、成本低的优点，已被广泛应用于无线传感器网络中,采用无线蓝牙传感器代替有线传感器，能有效避免线缆障碍，灵活操作。

（2）高中DIS实验系统数据采集器采用四路并行输入，这就决定了我们的实验必须在不超过四个传感器的前提下完成，限制了实验的发展空间。

基于物联网原理，采用无线蓝牙传感器代替有线传感器，利用无线数据采集器搭建小型局域网，在局域网内快速传递数据，轻松解决传感器数量的限制，有效管理较多数量的蓝牙传感器协同工作（模型结构见图3）。

（3）一个学习小组使用一套DIS实验系统对应一台计算机，决定了小组间的实验数据相对孤立。

进一步运用物联网技术，可以对教室内所有传感器建立小型物联网，将所有数据实时共享，这样，各组的计算机都可以随时查看教室内所有传感器的实时数据，增加小组间交互学习的机会，提高DIS实验系统的使用效率。这里有两种途径建立物联网：第一种是使用真正的无线传感器构建基于ZigBee的无线传感器网络(wireless sensor network, WSN )；第二种是在无线蓝牙传感器上粘贴RFID无源标签，通过超高频RFID读写器来确定传感器身份以此建立物联网。

5 待解决的问题

（1）成本较大。ZigBee标准中规定一个ZigBee无线网络一般包含3种设备: 协调器、路由器、终端节点，其中协调器的价格较高；而使用RFID标签，要求识别距离15米左右，需采用超高频RFID设备，价格较高。所以成本是制约物联网实验室发展的关键。

（2）师生培训。目前国内研究方向主要集中在如何使用DIS实验系统，而师生对DIS试验系统的认知情况却少有人问津。黄捷2011年对福建省1023名高中物理教师采样调查，对DIS数字实验系统比较熟悉的仅占12%。而新颖的物联网技术与设备的使用，更需要加强师生的技能培训。

6 结束语

物联网、WSN、传感器、RFID等高新技术、设备都是物理学发展和进步的成果，再将其应用到物理实验教学当中，带给物理这一“古老”学科的一缕现代气息，使得物理实验教学重现活力。有了先进的实验手段，学生们必定能够收获令我们意想不到的成功。

同时，我们也应注意，不能对DIS等先进实验手段和设施产生完全依赖心理，刻意将这些工具投入到所有物理实验中去，《普通高中物理课程标准（实验）》倡导利用日常器具做实验，日常器具不但具有简便、直观等优点，而且有利于学生动手，发展学生的实验技能，培养学生的创新意识。

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作者简介：

朱月新（1978-），男，江苏省大丰市人，中学一级，硕士，主要研究方向为物联网。