傳感器在高中物理新課程教學中的應(yīng)用

孫　波

摘要：本文基于高中物理課堂教學中引入傳感器的一些教學實踐，探究高中物理新課程中傳感器在物理實驗中相對于傳統(tǒng)實驗儀器存在的優(yōu)勢：運用傳感器可以使傳統(tǒng)實驗器材無法演示的實驗成為可能；可以減少傳統(tǒng)實驗器材帶來的系統(tǒng)誤差；可以使暫態(tài)實驗現(xiàn)象凝固化；可以擴大實驗器材的量程；可以提高數(shù)據(jù)采集的正確性、數(shù)據(jù)處理的便捷性。

關(guān)鍵詞：傳感器；新課程；高中物理；實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2009)4(S)-0075-4

在新課程的實施過程中，隨著教學手段現(xiàn)代化發(fā)展，傳感器作為一類新的教學儀器、一種新的實驗方法進入了高中物理課堂，部分學校還配置了以傳感器和計算機為基礎(chǔ)，實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學相結(jié)合的數(shù)字化實驗室。

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，《高中物理課程標準》指出：“突出物理學科特點，發(fā)揮實驗在物理教學中的重要作用，物理實驗是高中物理教學中的重要內(nèi)容。教師應(yīng)該積極開發(fā)適合教學的實驗項目，充分利用實驗資源做實驗。鼓勵教師將電子計算機等多媒體技術(shù)應(yīng)用在物理實驗中……”。建構(gòu)主義學習理論和教學理論認為，學生是知識意義的主動構(gòu)建者，教師是教學過程的組織者和指導者，意義建構(gòu)的幫助者和促進者，教材所提供的知識不再是教師傳授的內(nèi)容，而是學生主動建構(gòu)意義的對象，媒體也不再是幫助教師傳授知識的手段、方法，而是用來創(chuàng)設(shè)情境、進行協(xié)作學習和會話交流，即作為學生主動學習和協(xié)作式探索的認知工具。顯然新課程標準理念下的物理實驗教學，改革了物理實驗教學的目標和性質(zhì)，因此，必須相應(yīng)地改革實驗教學的內(nèi)容和形式。數(shù)字化實驗以真實實驗為基礎(chǔ)，通過各種傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，將實驗數(shù)據(jù)采集之后交由計算機分析處理，能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，幫助學生建立物理模型，得出物理規(guī)律。

在物理課堂教學中，有許多物理實驗的完成是瞬時的，現(xiàn)象是單一的，學生很難觀察清楚；有的實驗受條件的限制，現(xiàn)象不夠清晰或者無法在課堂上進行，而這些實驗現(xiàn)象中往往蘊含著豐富的信息和深刻的物理規(guī)律，對學生知識的構(gòu)建有很好的作用。傳感器進入中學物理實驗室，不僅成為信息技術(shù)與物理教學相結(jié)合、教育手段現(xiàn)代化的一個新的突破口，而且還能突出物理學科重實際、重應(yīng)用的特點，對培養(yǎng)學生實踐動手能力，激發(fā)學生學習物理的興趣,提高綜合素質(zhì)和發(fā)展創(chuàng)新思維有著重要的作用。下面就筆者采用傳感器所做實驗的一些經(jīng)驗與大家分享，體會其相比傳統(tǒng)的實驗器材所帶來的優(yōu)勢。

1 運用傳感器可以使傳統(tǒng)實驗器材無法演示的實驗成為可能

在《磁場》這一章中講到磁感應(yīng)強度時，由于磁感應(yīng)強度本身是一個比較抽象的物理概念，在傳統(tǒng)中學物理實驗設(shè)備中，沒有器材能很方便地測量磁感應(yīng)強度，所以給學生的學習帶來了很大的困難?，F(xiàn)在有了磁感應(yīng)傳感器，就可以用它很方便地測量磁感應(yīng)強度。實驗過程如下：把磁感應(yīng)傳感器和電腦相連，打開配套的軟件，使磁感應(yīng)傳感器的測量頭伸入通電線圈內(nèi)部的不同位置，就可以從傳感器上采集到不同位置的磁感應(yīng)強度。實驗演示和結(jié)果如圖1所示。從圖像中可以很明顯的得到通電螺線管內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強度的分布：中間位置磁感應(yīng)強度最大，兩邊逐漸減弱，與課本上的磁感線分布圖相吻合。

2 運用傳感器可以減少傳統(tǒng)實驗器材帶來的系統(tǒng)誤差

比如在必修一《自由落體運動》一節(jié)中，教師一般會做自由落體運動的演示實驗，如果采用傳統(tǒng)的打點計時器來做，不可避免的會存在紙帶和計時器之間的摩擦而帶來的系統(tǒng)誤差。而使用位移傳感器來做這個實驗則可以極大地減小這個系統(tǒng)誤差。實驗原理圖、演示照片圖、軟件截屏圖如圖2所示。

3 運用傳感器可以使暫態(tài)實驗現(xiàn)象凝固化

比如必修一中《牛頓第三定律》一節(jié)，采用力傳感器可以很直觀地顯示作用力與反作用力產(chǎn)生、變化、消失時的相互關(guān)系（如圖3）。本章后來出現(xiàn)超重和失重概念，很多教師都會用彈簧秤來演示超重和失重現(xiàn)象，但是用彈簧測力計演示實驗所經(jīng)歷的時間很短,學生根本就看不清楚彈簧測力計的讀數(shù)，更談不上對數(shù)據(jù)的記錄，使得實驗的效果大打折扣，由于彈簧秤的上下振動，甚至會使學生混淆超重和失重的概念。其實采用上述的實驗器材就可以很好地演示超重和失重的現(xiàn)象：一個力學傳感器下面掛上鉤碼，然后用手拉著傳感器在豎直方向做加速或減速運動（如圖4），從圖像上就很容易看出彈簧秤的拉力大于、小于重力的時間，讓學生對超重和失重有更好的理解。

4 運用傳感器可以擴大實驗器材的量程

在講到法拉第電磁感應(yīng)定律這一節(jié)的時候，學生往往會有這樣的想法：既然有地磁場的存在，那么從理論上講只要在空間翻轉(zhuǎn)一個閉合線圈，線圈內(nèi)部就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。但是采用傳統(tǒng)的靈敏電流計卻無法演示這個實驗。因為地磁場太弱了，傳統(tǒng)的靈敏電流計無法顯示這樣微小的電流。但是如果使用微電流傳感器卻可以很輕易的實現(xiàn)這樣的實驗要求，實驗現(xiàn)象裝置和實驗結(jié)果如圖5所示。

5 采用傳感器做實驗可以提高數(shù)據(jù)采集的正確性、數(shù)據(jù)處理的便捷性

比如在做驗證牛頓第二定律的實驗時需要很多工作，如數(shù)據(jù)采集、計算和描點等。而采用傳感器做實驗，實驗一做好只要點擊一下相應(yīng)的按鈕，數(shù)據(jù)采集和處理就完成了，同時得到了相應(yīng)的曲線（見圖6）。

采用傳感器來完成物理實驗與采用傳統(tǒng)的實驗器材來做物理實驗相比，在許多方面有著很大的優(yōu)勢。傳感器技術(shù)應(yīng)用于物理實驗教學是教學手段的革新，是教育技術(shù)的進步。如何在物理教學中充分發(fā)揮傳感器的作用，還值得我們在以后的教學中不斷探索，比如使用傳感器激發(fā)學生興趣，確立學習動機；在科學探究過程中應(yīng)用傳感器；使用傳感器改變教師的實驗教學方式，教師演示轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生體驗；使用傳感器改變學生學習方式，把教師講、學生聽的形式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生在教師指導下自主學習等等。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.全日制普通高中物理新課程標準［M］.2003.4

［2］首都師范大學附中物理組.變“不可見”為“可見”——傳感器應(yīng)用于物理教學實驗的實踐［J］.中國教育報.2006(1).

［3］湯躍明,謝紫娟,張文杰.傳感器技術(shù)在中學物理實驗教學中的應(yīng)用［J］.中國電化教育.2006(11).

(欄目編輯張正嚴)