基于传感技术的科学实验设计

　　新一轮的课程改革背景下，实验作为科学教育中一种独特的教学形式，更加强调学生“做科学”，强调“活动探究”。基于传感技术的科学实验，是以传感器为核心工具，与信息技术相整合，实现了科学实验过程中数据自动采集、直观显示以及实验数据的图形化。正是由于传感器可以检测多种物理参数并转化为数字信号，并且具备功能多样、体积小、操作简单等特点，将先进的传感技术引进科学实验极大地拓展了实验内容，大大降低实验难度，使传统定性、半定量的实验定量化，更注重实验证据的获取，实验的探究性得以加强，更有利于培养学生的数据分析能力和科学素养。

　　基于传感技术的科学实验的设计思路

　　科学教育领域的传感技术系统由传感器、数据采集器、计算机及工具软件构成。其中传感器是该系统的核心，计算机及工具软件为辅助设备。若将该系统比做人体，那么传感器就是人体的五官，其功能的多样性直接决定了传感技术在科学实验系统的应用范围。同样，实验中能否引入传感技术，关键在于传感器能否直接或间接测定待测量，即仪器的支持作用是该类实验开发首先考虑的因素。

　　1.确定实验选题

　　根据教材、课程标准、学生的知识背景、传感技术的功能等选择合适的学习内容，确定实验主题。

　　2.选定实验观测量

　　(1)直接测定。根据实验的研究对象和特点，选择合适的实验观测量，依据对传感器功能的认识，初步寻找合适的传感器，进行直接测定。例如利用溶解氧传感器可以直接测定水体中溶解氧气的浓度，用压强传感器监测一天内大气压的变化，用温度传感器研究化学变化中的温度变化等。

　　(2)“转化”后再检测。若无法找到直接支持的传感器，则必须将待观察量转化为可直接检测的物理量进行实验，我们把这一环节称作“转化”。转化是科学实验中的重要思想，自然科学的研究正是将内隐的、微观的和具体的变化外显化、宏观化和抽象化的转化过程，基于传感技术的实验活动更能揭示科学活动这一转化的本质。

　　针对转化本身，不同的实验对象存在不同的转化模式。我们可以通过分析实验对象本体的性质和特点，列举其中变化的物理量，然后选择变化明显、测量简便的物理量为实验观测量，再选用合适的传感器进行实验。比如植物的呼吸作用，在这个过程中，伴随着热量的释放、二氧化碳浓度的升高、氧气浓度的下降等等物理量的变化，我们便可以借助这些变化量来监控植物的呼吸作用。再如，盐度是土壤质量的一个重要指标，由于盐可溶于水，发生电离，盐度不同，那么土壤溶液中的离子浓度不同，电导率不同，因此，可利用电导率传感器进行测定。

　　3.设计实验方案

　　根据已确定的观测量，考虑相关影响因素，形成实验方案，并预设实验条件和仪器参数（主要指传感器和数据采集器）。

　　4.实施实验

　　实施实验方案，根据实验实施过程中遇到的问题，对实验用品的种类、用量及测定时间等进行调整，以得出较理想的符合科学性的实验数据，并对数据处理方法进行优选。

　　科学实验同时具有“可预见性”和“不可预见性”的特点。可预见性是指科学、合理的实验设想是实验成功的基本保证，可以使实验研究过程顺畅、有条理。而有时实验原理尽管看似完美，但在实施过程中可能会遇到各种各样的问题，这就是科学实验的不可预见性，科学实验的不可预见性有来自实验仪器的问题，也有来自实验设计的问题。

　　例如，初中化学实验向烧杯中倾倒二氧化碳气体，阶梯形烛台上的蜡烛从下向上熄灭，以说明二氧化碳比空气重且不支持燃烧，也许我们很容易想到用二氧化碳传感器来监控这一过程，但如果实际实施实验就会发现，倾倒的二氧化碳会超过二氧化碳传感器的量程，实验失败。由此必须将观测量进一步“转化”，转化为其他可检测的物理量。考虑到二氧化碳的增加会引起氧气浓度的减小，用氧气传感器代替二氧化碳传感器进行实验，可取得成功。如装置图1所示，用氧气传感器监测氧气浓度的变化，用光强传感器监测光强度的变化，会发现在倾倒二氧化碳的过程中，氧气浓度逐渐减小，光强度减小（蜡烛变暗），这样有力地说明了二氧化碳密度比氧气大且不支持燃烧这一性质。

　　再如，植物呼吸的实验研究，如前文所述，可以根据这一过程中热量的释放、二氧化碳浓度升高、氧气浓度下降等物理量的变化进行监控，但在具体的实验过程中，还要考虑热效应是否明显容易测量、热效应是否受环境温度变化的影响、二氧化碳和氧气浓度是否受光合作用的影响等等影响因素，考虑到这些因素，我们便会采取保温避光的实验条件。

　　科学实验这些“不可预见性”的特点可能导致实验的失败，但也会让我们发现许多值得研究的问题，这也正是科学探究的乐趣和魅力所在，那种用“思维实验”、“黑板实验”替代探究实验的做法很难增进学生对于科学的理解。

　　5.反思总结

　　反思实验过程的关键或异常环节，进行实验再设计和拓展性研究。总结实验的注意事项，提出供学生交流讨论的问题。

　　由上述讨论可见，从实验手段上讲，基于传感技术的实验可以分为直接测定和间接测定（转化后测定）两大类；从实验过程来讲，预见性强的实验相对简单，预见性弱的实验则有更多的影响因素需要考虑，往往需要重复设计。基于传感技术的科学实验研发的思路可以用图2表示。

　　基于传感技术的科学实验示例

　　1.污水排放对水体中溶解氧浓度的影响――直接测定法

　　水体污染和水体质量是初中科学课程标准和科学教材中的重要课题，而水质标准有多项内容，溶解氧浓度是其中之一，且学生对水体中溶解的氧气的作用已有了解，因此可以选取氧气浓度作为实验观测量，使用溶解氧传感器直接测得。

　　根据不同的教学要求，本实验活动可以有不同的设计。如果作为真实情景的综合实践活动，可由学生携带溶解氧传感器亲自到河流或湖泊进行检测；但并非所有的学校都具备靠近水体的条件，有时也没有充裕的课时支持。在这样的条件下，可以通过实验室模拟进行。例如有机污染物等还原性物质，会消耗水体中的氧气；含氮磷的物质，引起水体富营养化，经过一系列变化，导致水体溶解氧浓度降低。由于上述生化过程所需时间较长，我们可以借助还原剂Na2SO3代替污染物消耗氧气模拟上述过程。

　　如图3所示组装实验装置，向烧杯中加入一定量的水样，将溶解氧传感器浸没于水中，启动磁力搅拌器，搅拌。加入2M的Na2SO3溶液，每次加入5滴，充分搅拌并测定溶解氧的浓度，分析溶解氧浓度随Na2SO3溶液加入量的变化。

　　在未加入Na2SO3之前，随着搅拌的进行，水样中溶解氧浓度不断增加，直至达到饱和；加入Na2SO3后，水体中溶解氧浓度急剧下降，达到一定数值后趋于稳定。

　　传统的溶解氧滴定测定，只能测定某种状态下的溶解氧浓度，且操作比较繁琐。引入传感技术的实验，不仅实现了水体中溶解氧浓度的实时监测，将变化的过程记录了下来，且操作简单，更有利于低年级学生进行探究活动。

　　2.植物蒸腾作用的测定――间接测定法

　　植物的蒸腾作用是中小学科学课程中的一个核心概念，关于蒸腾作用的下级内容有很多，我们选取测定蒸腾作用的速率为实验主题。目前为止，没有开发出能够直接测定蒸腾作用的传感器，因此需要进行转化。

　　蒸腾作用具有过程属性，在此过程中，植物体内不断有水分通过气孔散失到空气中，根或茎部不断从周围的生存环境中吸收水分，以达到植物体内水分的相对平衡。因此，蒸腾作用的特性是失水和吸水，倘若将植物根或茎浸入一个盛水的密闭容器中，由于植物吸水，导致水量减少，液面上方空间变大，一定质量的空气体积变大，压强变小。可通过压强传感器进行测定（如装置图4），从而实现蒸腾作用测定的转化。实验观测量由蒸腾作用的速率转化为密闭体系中的压强。

　　在实验实施过程中发现，用传统的玻璃仪器如密闭的锥形瓶，由于其体积大，因蒸腾作用而减少的水的体积相对于容器的体积太小，导致压强变化不明显。笔者通过改进实验装置，用装满自来水的乳胶管代替锥形瓶，实现压强变化的放大化；数据采集器的设置中，由于蒸腾作用中水的减少是一个渐变过程，需要一段时间的积累才能完成，因此采样时间要长；另外，植物的选取，考虑到价格以及蒸腾作用强度的问题，选用花店出售的旺盛的花枝，如菊花（约1元/朵），降低了实验成本，从而完成实验本体的开发。

　　反思实验过程，发现乳胶管和植物茎干、乳胶管和压强传感器探头连接的密闭性是实验成败的关键，因此，在实验过程中，必须保证连接端口的紧密性。在实验条件允许的情况下，教师还可以做风速、气温、不同种类植物等不同条件下的蒸腾作用比较实验。

　　由以上讨论我们可以看出，基于传感技术的科学实验有力体现了科学技术对于科学研究的强大支持作用，展示了科学活动的时代性特色，充分体现了现代科学研究中“转化”的重要思想和科学探究的方法，为我们的科学教育增添了新的活力。本文提出的基于传感技术的科学实验设计思路，是我们在长期实验研发中的经验总结，揭示了“转化”、“变量控制”、“因素分析”、科学实验的“不可预见性”等科学过程的基本特点，希望对今后的实验研究具有借鉴意义。作者： 孟青蕊　魏　锐　王　磊，本文来自《传感技术学报》杂志