40、高中物理实验室中的现代传感与计算机化数据采集技术

高中物理实验室中的现代传感与计算机化数据采集技术

1. 引言

二战后，美国和苏联之间的激烈竞争演变成了冷战。在那个时代，科技优势对两国来说至关重要，因为它们都在争夺军事主导权。1957 年 10 月 4 日，苏联成功发射了人造卫星“斯普特尼克 1 号”，权力的天平开始向苏联倾斜。随后，苏联又于 11 月 3 日发射了“斯普特尼克 2 号”。为了应对这些事件，1961 年肯尼迪总统发起了阿波罗计划，挑战美国在十年内将人类送上月球。这场长达十年的登月竞赛使得美国大学中 STEM 专业的学生入学人数激增。此外，为支持太空计划而进行的大量理论和实验研究，催生了众多产品和工艺，如微型计算机、惯性制导系统等，造福了社会。

然而，20 世纪 80 年代末冷战结束后，美国在自由世界的领导地位面临新的挑战。首先，2001 年 9 月 11 日，恐怖分子利用客机袭击了纽约和华盛顿，此后美国加强了移民管控。其次，自 20 世纪 90 年代末以来，美国经济的服务业开始向海外低工资国家转移，导致贸易逆差不断扩大。再者，近年来，越来越多的公民和商业领袖强调保护美国在科学发现和技术创新方面的领导地位的重要性，以缩小与贸易伙伴的差距，并应对不对称的恐怖威胁。但不幸的是，美国在科技领域的领导地位受到了威胁，因为高中生对 STEM 学科缺乏兴趣，而且 9·11 事件后实施的严格移民法减少了外国科学、数学和工程专业学生的流入。

为了维持美国发展“创新经济”的追求，大学需要吸引、教育并培养大量合格的科学家和工程师。但大学面临着诸多挑战：工程专业不如其他专业受重视；高中生认为数学和科学不酷；社会不鼓励女生从事工程职业；工程课程比其他专业更严格，导致高中毕业生对工程学科望而却步。此外，青少年对科学家和工程师存在负面刻板印象，进一步加剧了这一问题。

为了解决吸引更多学生学习 STEM 学科的问题，我们开始分析美国 K - 12 教育环境。我们发现这个问题没有单一的解决方案，因为它贯穿了 K - 12 学生的整个教育过程。例如，从小学开始，K - 12 教育系统就非常注重读写能力，这往往导致数学和科学的优先级降低，甚至被忽视。在中学，学生需要学习地球科学和生物科学，但在高中，这些课程虽然仍是必修课，但物理却成了选修课。而且，学校还提供海洋生物学等课程，让许多学生可以完全避开物理课程。由于缺乏扎实的数学基础，少数学习物理的高中生在理解抽象概念和方程时会遇到困难，因为这些内容缺乏吸引力。此外，高中实验室仍在使用几十年前编写的实验和过时的设备，这些实验与实际应用脱节，无法激发学生的兴趣。

如今的学生生活在高度科技化的世界中，他们习惯了使用高科技设备。当他们进入实验室时，却遇到原始的设备和任务，这使得他们对 STEM 学科更加疏远。为了解决美国学前教育系统的这一困境，在 NSF GK - 12 研究员资助下，我们制定并实施了一个解决方案。具体来说，十几名本科和研究生工程学生与纽约市四所公立高中的教师合作，将现代传感和数据采集技术融入物理和生物环境课程的实验室部分。我们的方法基于这样一个前提：引入科学家和工程师日常使用的工具和技术，将消除科学枯燥的污名，激发学生的热情。我们的方法解决了以下关键问题：
- 实验室与时俱进，学生使用的是最先进的设备，而不是传统科学实验室的设备。
- 传感器和数据采集工具以及合适的图形用户界面可以为学生提供直观的见解。例如，通过使用位置探测器（如超声波传感器）和运行绘图程序的计算机，可以记录并图形化展示抛球的轨迹和速度，使抽象概念具体化。
- 由于手动收集和记录数据不是实验室的主要重点，学生可以专注于学习实验室的基本概念，制定和测试新的假设。

2. 项目概述

“利用仪器设备振兴科学教育成就（RAISE）”项目是在 NSF GK - 12 研究员资助下实施的。该项目由两名工程学和一名人文学科教师领导，合作的高中包括乔治·威斯汀豪斯高中、玛尔塔·瓦莱高中、保罗·罗伯逊高中和电信艺术与技术高中。这些学校学生的平均 SAT 成绩低于 850 分，只有不到 10%的学生成绩超过 1100 分，而这是大多数大学本科科学和工程专业的录取分数线。此外，这些学校学生在标准化科学和数学考试中的通过率和毕业率都极低（低于 50%）。

项目的目标包括：提高学生在标准化考试中的成绩；激发城市中心学生追求高学术标准，同时培养他们对 STEM 学科和职业的热情；提高教师的技术能力；使 GK - 12 研究员（RAISE 研究员）磨练他们的沟通、领导能力，并加深对 STEM 学科的理解。

RAISE 研究员使用现代传感、仪器和数据采集工具以及用户友好的图形用户界面（GUI），为物理实验室开发了富有创意和吸引力的实验。使用现代数据采集工具可以让高中生优化在实验室的时间。此外，研究员还与教师合作，进行演示和讲解，从工程角度介绍物理知识，以增强高中生的学习体验。

3. 研究员和教师的培训

在被派往四所学校之前，RAISE 研究员在学年开始前的暑假接受了强化培训。他们首先学习现代传感技术和机电一体化，包括传感器和信号调理、执行器和电力电子、硬件接口和嵌入式计算等主题。此外，他们还参加了为期一周的教学研讨会，以提高教学技能，如课程规划、有效提问技巧、学生行为和认知、学习理论和风格、课堂/小组管理技能、有效沟通和演示技巧、主动学习技巧、基于项目的学习和评估方法。

RAISE 支持学校的教师也参加了为期一周的现代传感技术技术研讨会。该研讨会由工程教师和 RAISE 研究员主持，为教师提供了课堂活动的见解，并使他们能够成为学校的技术资源。这种培训的一个副产品是，教师和研究员有机会相互了解和合作，为新学年的计划做好准备。

4. 代表性的基于传感器的物理实验模块

我们开发了十三个基于传感器的物理实验，旨在支持纽约州的物理实验室课程。在纽约州，学生必须在三门科学 Regents 考试中取得 60%或更高的成绩，才能获得高中 Regents 文凭。而合作学校中只有不到 10%的学生选择物理课程。这些学生具有较强的直觉能力，但分析能力较弱。因此，这些实验室的目的是增强他们的直觉能力，培养他们的分析和数学能力。以下是两个示例实验：
|实验名称|实验描述|
| ---- | ---- |
|浮力和流体密度实验|该实验旨在验证流体的密度，同时演示阿基米德浮力原理。学生首先了解浮力在驳船、船舶和潜艇设计中的应用，从而激发他们进一步学习和探索的兴趣。传统的测量流体密度的方法是先测量容器的质量，然后装满测试流体再测量质量，通过两次质量差计算流体质量，再结合容器体积计算密度。而根据阿基米德原理，“浸入液体中的物体受到的浮力等于它排开液体的重量”，即 (F_b = \rho_f V_d g)，其中 (F_b) 是浮力，(\rho_f) 是流体密度，(V_d) 是排开液体的体积，(g) 是自由落体加速度。浮力与物体重量 (mg) 相互作用，产生净力 (F_{net} = mg - \rho_f V_d g)。通过使用力传感器测量不同流体排开量下的净力，并绘制净力与排开体积和重力加速度乘积的关系图，得到的直线斜率即为流体密度。最后将该密度与传统方法测量的结果进行比较。|
|阻尼振动实验|振动现象在自然界中无处不在，从微观的电子绕核运动到宏观的地球绕太阳公转。在许多周期性现象中，振动系统能量损失较小，表现出简谐运动的特性。但当能量损失显著时，振动会变为阻尼振动，此时振动物体的位移、速度和加速度响应类似于指数衰减的正弦曲线。虽然阻尼不是传统高中物理课程的内容，但为了展示物理的实际应用，我们引入了这个实验。我们从一个问题开始：“为什么在操场上荡秋千的孩子最终会停下来？”首先，我们将秋千（摆）与弹簧 - 质量系统进行类比。然后，学生通过在弹簧 - 质量系统的质量上安装加速度传感器来研究这个问题。传感器记录质量的加速度，得到一个平滑的衰减正弦波形。从这个曲线中，可以确定系统的阻尼系数、振动周期、自然频率和等效弹簧常数。最后，将这些测量结果与秋千问题联系起来，得出影响物体运动的因素。|

以下是 mermaid 格式的流程图，展示浮力和流体密度实验的步骤：

graph LR
    A[开始] --> B[了解浮力应用]
    B --> C[传统方法测密度]
    C --> D[根据阿基米德原理计算]
    D --> E[使用力传感器测量净力]
    E --> F[绘制关系图]
    F --> G[比较密度结果]
    G --> H[结束]

5. 课堂实施

通常认为，在数学和科学课程中表现出色的高中生能够在高中取得成功，并继续在大学深造。然而，掌握这些学科的难度给学生和教育系统带来了巨大挑战。此外，美国 K - 12 学校缺乏充分准备和有效的教师，进一步限制了学生在 STEM 学科的成绩。教师缺乏足够的专业培训，预算有限，科学和数学领域教师严重短缺。教师数量的不足还导致教室拥挤，进一步阻碍了学生在这些学科的学习。

受这些需求的启发，RAISE 研究员采取了以下行动：
- 向在职教师介绍技术，提高他们的技术能力。
- 在教室和实验室中作为额外的资源，为学生提供个性化的关注。
- 作为学生的导师和教练，激发他们对数学和科学的兴趣。
- 作为榜样，激励学生追求 STEM 学科的高等教育和职业。

每所合作学校都配备了四套计算机化实验室设备，每组四到五名学生使用一套设备。实验模块的设计使得每个学生在实验中都有积极的角色。例如，一名学生手持传感器，另一名操作计算机，第三名处理设备，第四名担任管理者，确保每个人的操作同步。大多数模块有多次试验，学生有机会轮换角色。这种任务分配方式使学生保持参与度，避免负面行为的发生。

引入 Logger Pro 软件后，教师可以通过多种学习方式传授知识：
- 图形用户界面显示传感器测量结果，便于视觉学习者理解概念。
- 团队任务需要团队合作，有利于听觉/语言学习者。
- 实践实验室活动帮助触觉/动觉学习者通过实际操作掌握概念。

6. 外展活动

RAISE 项目团队计划并开展了多项外展活动：
|活动时间|活动内容|
| ---- | ---- |
|2004 年 11 月 2 日（选举日）|RAISE 研究员在乔治·威斯汀豪斯高中为 20 名科学和数学教师举办了现代传感和数据采集技术研讨会，并介绍了 Vernier 传感器。|
|2005 年 1 月 22 日|RAISE 研究员为 19 名来自非 RAISE 支持学校的纽约市 STEM 教师举办了专业发展日活动，参与教师涵盖小学到高中。|
|2005 年 4 月 20 日|为参与 RAISE 项目的高中学生举办了职业日活动，超过 100 名学生和教师参加。活动的高潮是展示了一些由 RAISE 研究员开发的机电一体化项目。|
|2005 年 5 月 20 日|在理工大学举行了地区 GK - 12 资助者会议。三所纽约市大学的四个 GK - 12 项目展示了他们的成果。这次活动让研究员、教师和项目负责人有机会交流想法，许多 GK - 12 研究员进行了成果展示。美国国家科学基金会的 GK - 12 项目团队和纽约市教育局的人员也参加了会议。|

以下是 mermaid 格式的流程图，展示 RAISE 项目外展活动的流程：

graph LR
    A[确定活动主题] --> B[筹备活动]
    B --> C[邀请参与者]
    C --> D[举办活动]
    D --> E[交流与展示]
    E --> F[活动总结]

7. 期望与评估

对于高中生，我们的目标是通过实验室活动为他们提供应用 STEM 知识的机会，培养和提高他们的 STEM 技能。我们还致力于提高学生在物理 Regents 考试中的成绩。此外，我们强调口头和书面沟通能力以及在多元文化团队中工作的机会。最终，我们希望学生能够欣赏 STEM 职业，并在有意愿时选择追求相关职业。

对于 RAISE 研究员，我们的目标是通过课程规划、实验室开发和教学实践，提高他们的沟通、领导和 STEM 技能。此外，我们期望研究员学会向非技术受众传达复杂的工程概念，这将是他们未来作为科技领导者的重要技能。

对于高中教师，我们期望他们获得足够的技术能力，能够将基于传感器的演示融入他们的课程计划和课堂活动中。此外，我们预计他们将通过与工程师的合作和思想交流，提高教学技能。

我们聘请了一位独立的项目评估员来评估 RAISE 项目是否达到了既定目标。目前对项目成功与否进行明确评估还为时尚早，但评估员在项目第一年得出了以下结果：
- 学校的教师普遍认为 RAISE 研究员的参与有助于丰富课程，并认为该项目对学生有积极影响。
- 与没有使用传感器的实验室相比，更多学生将使用传感器的实验室列为项目中最喜欢的部分。
- 大多数小组的学生普遍认为 RAISE 研究员提供了很大的教育价值。
- 一些 RAISE 研究员展示了教学技能，表明如果他们选择成为教师，有能力在类似学生群体中取得成功。

许多 RAISE 研究员首次向高中生教授科学时面临挑战。在教学过程中应对吵闹甚至大胆的学生需要极大的毅力和耐力。不过，他们很快适应了课堂环境，并从第一年的经验中学到了以下教训：
- 虽然 RAISE 研究员对复杂的科学和数学概念充满热情，但高中生很容易感到沮丧。因此，最初开发的实验需要进行修订，以适应学生的兴趣水平。
- 为了提高学生在标准化考试中的成绩，在每个书面实验作业的末尾添加了 Regents 类型的问题。
- 普通高中生的注意力持续时间较短。因此，RAISE 研究员认为需要不断激励学生做到最好。

8. 结论

随着项目进入第二年，我们的目标更加远大。通过在高中物理课堂中使用现代传感工具，RAISE 项目致力于振兴科学教育。RAISE 研究员设计了基于传感器的实验室，通过现代数据采集工具传达物理概念。将现代技术融入课堂课程将为学生提供在日益科技化的社会中受益的工具。此外，研究员在这个过程中发展了领导和沟通技能，这对他们的工程职业生涯至关重要。

总之，RAISE 项目在解决美国高中生对 STEM 学科缺乏兴趣的问题上迈出了重要一步。通过整合现代技术、提供实践机会和加强教师与研究员的合作，我们有望看到学生在 STEM 学科的学习和职业选择上取得积极的变化。