淺談數(shù)字化傳感器在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的現(xiàn)狀

莊冬霞

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理實驗;傳感器;應(yīng)用

一、中學(xué)物理實驗的特點

實驗教學(xué)作為物理教學(xué)中的重要一環(huán)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。新修訂的高中物理課程標準，將物理課程目標中的具體目標深化為物理核心素養(yǎng)，這是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的關(guān)鍵品格和能力，是帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，科學(xué)素養(yǎng)要求學(xué)生具備科學(xué)探究的能力。但是現(xiàn)實情況是，由于課時限制以及課業(yè)壓力等各種現(xiàn)實問題，教師在進行實驗教學(xué)時，往往將探究實驗變成驗證實驗，學(xué)生并不是通過一步步的探究過程得到實驗結(jié)論，而是習得結(jié)果后才進行實驗的，這不僅違背了實驗教學(xué)的初心，而且錯過了體驗真理建立起來的過程，要知道無論哪一個真理，都是科學(xué)家經(jīng)過無數(shù)次的實驗找出來的規(guī)律?？茖W(xué)素養(yǎng)要求學(xué)生具有實驗探究能力，我認為不能僅僅讓學(xué)生掌握實驗結(jié)論，更要讓學(xué)生具備對得到結(jié)論過程的思考和探索能力。

中學(xué)物理實驗分為分組實驗和演示實驗，分組實驗要求學(xué)生以小組為單位利用現(xiàn)有儀器進行實驗，取得數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，得到結(jié)果。但是由于中學(xué)實驗儀器精密度的局限，加上學(xué)生實驗時的種種不規(guī)范，導(dǎo)致得到的實驗結(jié)果誤差通常較大。雖然實驗必定會有誤差，但是這種較大的誤差會令學(xué)生對取得的結(jié)果不以為然。也因為這樣，學(xué)生對分組實驗課堂不夠重視，分組實驗時報以玩樂心態(tài)，如此更無法達到實驗的教學(xué)目的。中學(xué)物理實驗的一種模式則是教師演示實驗，演示實驗通常由教師動手，學(xué)生觀看。但是大多數(shù)的演示實驗都是定性分析，無法做到精確的定量計算，如果能夠?qū)崿F(xiàn)精確定量，實驗將更具說服力。

二、傳感器在中學(xué)物理實驗課堂上的地位

物理是一門實驗學(xué)科，大部分中學(xué)物理的概念和規(guī)律都是建立在實驗的基礎(chǔ)上，而許多實驗在中學(xué)物理實驗室中是無法實現(xiàn)的，借助傳感器技術(shù)可以突破傳統(tǒng)實驗的壁壘，將物理規(guī)律展現(xiàn)在學(xué)生面前。

學(xué)生可以利用傳感器，自己設(shè)計實驗方案，通過小組合作進行實驗，利用軟件進行數(shù)據(jù)的處理和分析。這樣不僅能提高學(xué)生的參與感，使學(xué)生感受知識生成的過程，還能加強學(xué)生之間的交流與溝通，提高協(xié)同能力。更重要的是得到的實驗數(shù)據(jù)也更加精確、嚴謹，這對于得到后續(xù)的結(jié)果更有說服力。

我國在課程改革中也強調(diào)信息技術(shù)和教學(xué)的結(jié)合，在2017版的物理課程標準中選擇性必修2模塊，對于傳感器的內(nèi)容有明確要求：“知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的技術(shù)意義，通過實驗了解常見傳感器的工作原理。會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置?！?/p>

傳感器并非一個新生事物，它出現(xiàn)已有很長一段時間，隨著一代又一代傳感器的研究，原本略顯笨重的儀器越來越小巧，操作方法也越來越簡便，并且隨著教學(xué)改革的推進，傳感器越來越多地走進課堂，甚至走進教材，在人教版教材中已經(jīng)多處出現(xiàn)利用傳感器的實驗，在實驗考試中也經(jīng)常出現(xiàn)傳感器的身影。例如，牛頓第二定律的實驗中，利用力傳感器直接測量小車所受的彈力，教師在講解時往往采用口頭講解和視頻演示的方法介紹力傳感器，這樣不僅達不到理想效果，也違背了實驗考查的初衷。傳感器進入中學(xué)實驗室時日不短，但實際情況是傳感器在中學(xué)的實驗教學(xué)中幾乎不占地位，只有在某些特定需求的教學(xué)中才會用到，例如教師的公開課，但也僅僅是由教師演示，學(xué)生觀看，為了得到更合理的數(shù)據(jù)而存在。除此之外，大部分傳感器都默默地堆在實驗室，學(xué)生真正動手操作的機會幾乎為零，很多學(xué)生甚至不清楚何為傳感器，更不用說利用傳感器進行日常的實驗探究。

三、傳感器在中學(xué)物理課堂中使用率不高的原因

隨著教學(xué)不斷改革，新課標對學(xué)生的要求更注重對知識取得的過程方法，而非只在知識本身，我認為讓傳感器真正走進中學(xué)課堂，讓學(xué)生真正在實驗中體驗到知識的生成過程，是非常有必要的。但是由于種種現(xiàn)實問題，大面積實施傳感器的教學(xué)將會面臨很多現(xiàn)實困難。初期的傳感器操作并不簡單，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機三大基本模塊組成，要求連接電腦，硬件和軟件結(jié)合，這對許多對電腦不熟悉的教師、學(xué)生來說具備挑戰(zhàn)性，并且傳感器操作對學(xué)生的要求也較高，學(xué)生需要花更多時間摸索，這對本就困難的實驗教學(xué)來說無疑增添了負擔，導(dǎo)致傳感器在中學(xué)實驗教學(xué)中越來越雞肋，漸漸被束之高閣。傳感器的實驗開展需要有專門的探究室，而傳感器的價格昂貴，建立一個數(shù)字化探究室更是資金耗費巨大，大部分學(xué)校僅僅建立一個數(shù)字化探究室，無法大面積地利用傳感器進行實驗教學(xué)。

四、有效提高傳感器的應(yīng)用范圍和頻率

由于傳感器的操作對學(xué)生的要求較高，教師可以對報名學(xué)生進行審核，只限定一部分學(xué)生參與，這種方式既能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)傳感器的教學(xué)和應(yīng)用，也因為對學(xué)生有所選擇，能夠盡可能地保證教學(xué)質(zhì)量。傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，是新課程標準提倡的教學(xué)方法和理念，體現(xiàn)了物理教學(xué)與科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，其初衷是更好地服務(wù)于教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，讓學(xué)生體會到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，但卻由于種種問題，導(dǎo)致在實際教學(xué)中傳感器利用率不高，白白浪費前期的巨大投入。我希望數(shù)字化傳感器能發(fā)揮它在實驗教學(xué)中的真正作用。