數(shù)字化傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

趙春博

(寧波惠貞書(shū)院 315000)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)DIS)就是用傳感器獲取信息，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理的教學(xué)技術(shù)平臺(tái).它為人類(lèi)提供了一種探索世界的新工具.由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教育功能和理念很好地反映了新課程改革的理念，2002年起，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相繼被編入普通高中物理的各版教材.2006年，浙江省進(jìn)入新課程改革，使用的人教社出版的物理教材也編入了一批數(shù)字化實(shí)驗(yàn).運(yùn)用數(shù)字化傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，可直觀(guān)地顯示出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，完美地展現(xiàn)了物理研究的整個(gè)過(guò)程，它必將為高中物理課堂教學(xué)的變革創(chuàng)造出奇跡.但是在高中階段，老師對(duì)數(shù)字化傳感器的利用率并不高，覺(jué)得還不如自己講課來(lái)的效率高.本文就在此背景下提出三種利用數(shù)字化傳感器的課型.

一、應(yīng)用數(shù)字化傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的嘗試

為了更好地發(fā)揮DIS的教學(xué)教育功能，充分挖掘DIS在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，教師利用DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了探究型、情境型和設(shè)計(jì)型三類(lèi)課型，并分對(duì)照班實(shí)施教學(xué).在教學(xué)過(guò)程中，教師詳細(xì)記錄教學(xué)過(guò)程，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、自主探究意識(shí)、科學(xué)求真精神、自我信息素養(yǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià).根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果，教師不斷地調(diào)整教學(xué)方法和策略，逐步完善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程.

1.探究型DIS實(shí)驗(yàn)課

探究型DIS實(shí)驗(yàn)課是指利用DIS傳感器對(duì)物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)DIS軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，尋找物理現(xiàn)象背后的內(nèi)在規(guī)律.絕大多數(shù)的DIS實(shí)驗(yàn)課都是探究型實(shí)驗(yàn)課，DIS的最大優(yōu)勢(shì)就在于它的探究功能.

該課型主要目的是再現(xiàn)物理研究的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生自主探究意識(shí)，實(shí)事求是的研究精神，提高學(xué)生的自我信息素養(yǎng).該課型的教學(xué)過(guò)程如下所示：

(1)確定問(wèn)題情景.

(2)分析因果，提出假設(shè).

(3)利用DIS設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證假設(shè).

(4)分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)果.

案例1 在進(jìn)行玻意耳馬略特氣體定律的教學(xué)中，教師利用DIS壓強(qiáng)傳感器探究一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，氣體的壓強(qiáng)隨體積的變化關(guān)系.具體的教學(xué)過(guò)程如下.

問(wèn)題情境：乒乓球凹進(jìn)去了怎么辦？(將乒乓球放入開(kāi)水中)夏天給自行車(chē)輪胎打氣應(yīng)注意什么？(不要打得太足)

分析因果：球內(nèi)空氣溫度上升，壓強(qiáng)變大，體積變大，所以乒乓球恢復(fù)原狀.

自行車(chē)胎內(nèi)空氣溫度上升，壓強(qiáng)變大，體積變大，所以打氣太足要曝胎.

提出假設(shè)：一定質(zhì)量的氣體的溫度、壓強(qiáng)、體積三參量之間存在一定的定量關(guān)系.

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：由于一定質(zhì)量的氣體存在三個(gè)狀態(tài)參量，所以在設(shè)計(jì)方案時(shí)采用控制變量思想.先控制氣體的溫度不變，研究氣體的壓強(qiáng)隨體積的變化.用標(biāo)注體積刻度的注射器讀出封閉氣體的體積，用壓強(qiáng)傳感器測(cè)量不同體積下氣體的壓強(qiáng)，研究氣體的壓強(qiáng)隨體積的變化關(guān)系.DIS的連接裝置如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，氣體的壓強(qiáng)和體積成反比關(guān)系.

2.情境型DIS實(shí)驗(yàn)課

情境型DIS實(shí)驗(yàn)課是指利用DIS創(chuàng)設(shè)形象生動(dòng)的物理情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引發(fā)學(xué)生進(jìn)行理性思考的課堂教學(xué)類(lèi)型.

該課型主要目的是通過(guò)改變學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，培養(yǎng)學(xué)生有意識(shí)的觀(guān)察物理現(xiàn)象習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察、分析能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情.該課型的教學(xué)一般在新課引入或某個(gè)新知識(shí)點(diǎn)引入前使用.在教學(xué)中，教師只需直接進(jìn)行演示讓學(xué)生觀(guān)察實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)生的思考，從而引入新課或新的知識(shí).

案例2 在進(jìn)行“磁生電” 的教學(xué)中，教師利用DIS微電流傳感器創(chuàng)設(shè)了在地磁場(chǎng)中搖“繩”發(fā)電的實(shí)驗(yàn)，改變了學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式.具體的教學(xué)過(guò)程如下.

兩個(gè)同學(xué)迅速搖動(dòng)一條一米長(zhǎng)的電線(xiàn)，能發(fā)電嗎？將一條一米長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)與微電流傳感器連接成回路進(jìn)行實(shí)驗(yàn).請(qǐng)兩位同學(xué)在東西方向上搖電線(xiàn)，結(jié)果電路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流.若在南北方向上搖電線(xiàn)，結(jié)果電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流變小.電線(xiàn)的電流是如何產(chǎn)生的呢？

3.設(shè)計(jì)型DIS實(shí)驗(yàn)課

設(shè)計(jì)型DIS實(shí)驗(yàn)課是指利用DIS的傳感器尋找到的物理規(guī)律設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)電路等，并利用DIS對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估、校準(zhǔn)的課堂教學(xué)類(lèi)型.該課型主要目的是展示物理儀器、實(shí)驗(yàn)電路等的設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的意識(shí)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝備的能力.

該課型的教學(xué)過(guò)程是：

(1)提出設(shè)計(jì)問(wèn)題.

(2)設(shè)計(jì)分析.

(3)提出設(shè)計(jì)方案.

(4)制作模型或原型.

(5)測(cè)試評(píng)估和校準(zhǔn).

案例3 在進(jìn)行傳感器的教學(xué)中，教師利用DIS的溫度傳感器得到了熱敏電阻阻值隨溫度變化的關(guān)系之后，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)這一規(guī)律用熱敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，并畫(huà)出該數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)電路圖.在設(shè)計(jì)完成之后，用DIS的溫度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn).具體教學(xué)過(guò)程如下.

提出設(shè)計(jì)問(wèn)題：利用熱敏電阻，結(jié)合DIS平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式溫度計(jì).

設(shè)計(jì)分析：首先，確定熱敏電阻阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系.如果能精確地測(cè)定熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系，那么只要知道電阻便可知道溫度.其次，確定測(cè)定電阻的方法.由于常溫下熱敏電阻較大，高溫下電阻很小，電阻隨溫度時(shí)刻變化，測(cè)量電阻無(wú)法用伏安法進(jìn)行.那么如何測(cè)量熱敏電阻的阻值呢？

制作模型：搭建實(shí)驗(yàn)電路，連接DIS平臺(tái)并實(shí)施設(shè)計(jì)方案.

測(cè)試評(píng)估校準(zhǔn)：將DIS溫度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)好的數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行測(cè)量誤差分析，考查產(chǎn)生誤差的原因，并進(jìn)行校準(zhǔn).

參考文獻(xiàn)：

[1]魏慧軍.基于DIS的上海二期課改高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查及分析[D]. 上海：上海師范大學(xué)，2006(4).