傳感技術(shù)在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 寧

(浙江省寧波市江北中學(xué) 315020)

隨著基礎(chǔ)教育儀器的開發(fā)，傳感技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，并且逐漸顯示出它的特點(diǎn)與優(yōu)勢，越來越受到教育界的關(guān)注.從上世紀(jì)80年代開始，傳感技術(shù)就在發(fā)達(dá)國家的中學(xué)理科教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用.近幾年，我國北京、浙江、廣東、上海等地的一些中學(xué)也已經(jīng)開始應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，并且開設(shè)了有關(guān)的校本課程.

一、基于傳感技術(shù)的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

基于傳感技術(shù)的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、配套軟件和計(jì)算機(jī)組成的.

1. 傳感器

傳感器可把各種物理量和化學(xué)量精確地變換為電信號(hào)，它是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心.適用于初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)的傳感器有溫度傳感器、pH傳感器、濕度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、溶解氧傳感器、CO2傳感器等.

2. 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器主要用來實(shí)時(shí)采集傳感器檢測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)，它是傳感器與計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換器.

3. 計(jì)算機(jī)及其內(nèi)部配套軟件

將數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接后，即可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對(duì)由傳感器傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.調(diào)用預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，可以便捷地?duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行操作，以數(shù)字、曲線等多種形式顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析、推測.

二、傳感技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)越性

傳感技術(shù)既是常規(guī)實(shí)驗(yàn)工具的有益補(bǔ)充，又為初中實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了新的途徑.

1．直觀性

常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有表現(xiàn)形式單一、不直觀的缺點(diǎn).基于傳感技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以改變這種狀況，它不但可以檢測反應(yīng)過程中許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或參數(shù)的微弱變化，而且還能將整個(gè)反應(yīng)過程以圖像、數(shù)字、表格、視頻等多種形式動(dòng)態(tài)、直觀地顯示出來.

2．定量性

傳感技術(shù)的最大的特點(diǎn)就是將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化，不僅能從量的角度說明傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，也可以利用數(shù)據(jù)處理向?qū)苟繉?shí)驗(yàn)得到比較精確的結(jié)果，使一些傳統(tǒng)定性的實(shí)驗(yàn)得到定量化研究，有利于培養(yǎng)學(xué)生的定量研究意識(shí)和能力.

3．簡易性

傳感實(shí)驗(yàn)儀器的便攜性使科學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，還可以在其他場所隨時(shí)進(jìn)行，儀器會(huì)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理.利用傳感技術(shù)可以將課堂中的一些裝置復(fù)雜、難以成功的實(shí)驗(yàn)簡易化，提高教師和學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性.

三、傳感技術(shù)在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

隨著新課程改革的深入，傳感技術(shù)將成為初中科學(xué)教學(xué)和研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中的一種數(shù)字化定量實(shí)驗(yàn)手段，以下是傳感技術(shù)在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例.

1．用電壓傳感器比較不同水果電池的電壓

該實(shí)驗(yàn)出自華師大版《科學(xué)》教材八年級(jí)下冊(cè)第四章第3節(jié)“電流和電壓”.課堂中常用小燈泡的明暗程度判斷水果電池電壓的大小，但這些方法只能定性地對(duì)結(jié)果做出大致判斷，對(duì)某些微小的差異無法分辨，這使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有局限性，一定程度上限制了學(xué)生的進(jìn)一步探究.

利用電壓傳感器來進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，整套實(shí)驗(yàn)裝置由電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和不同的水果(包括蘋果、柑桔、檸檬、番茄、西瓜等)電池組成(如圖所示).

連接好裝置后打開實(shí)驗(yàn)?zāi)０暹M(jìn)行數(shù)據(jù)采集.實(shí)驗(yàn)過程中有關(guān)數(shù)據(jù)、信息和圖形均會(huì)顯示在可視化界面上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可將全部數(shù)據(jù)形成文本文件保存.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以準(zhǔn)確、定量地比較各種水果的電壓大小.

由于水果的種類、電極的材料、電極插入深度、電極之間的距離、水果的狀態(tài)等都可能會(huì)影響水果電池的電壓，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)對(duì)課題進(jìn)行更深入的探究.

將傳感技術(shù)應(yīng)用于“水果電池”的實(shí)驗(yàn)中，不但可以定量地比較不同的水果電池產(chǎn)生電壓的大小，而且還能探究其它各種可能影響水果電池電壓的因素，進(jìn)而拓展了實(shí)驗(yàn)的探究內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生善于思考的能力以及主動(dòng)探索的創(chuàng)新意識(shí).此外，電壓傳感器還可應(yīng)用于探究串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系、探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素等實(shí)驗(yàn)中.

2．用電流傳感器研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象

本實(shí)驗(yàn)出自華師大版《科學(xué)》教材八年級(jí)下冊(cè)第五章第3節(jié)“電磁感應(yīng)”，教材中用靈敏電流計(jì)研究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，并判斷感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān).在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)：有時(shí)感應(yīng)電流較小，靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)不明顯；由于靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)快，很難讀出電流值，限制了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究.

將傳感技術(shù)應(yīng)用于此實(shí)驗(yàn)中，整套實(shí)驗(yàn)裝置由電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、線圈、蹄形磁鐵組成.連接好裝置后打開實(shí)驗(yàn)?zāi)０暹M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)過程中有關(guān)數(shù)據(jù)、信息和圖形均會(huì)顯示在電腦屏幕上(如圖所示).根據(jù)圖像，學(xué)生可以精確、定量地判斷感應(yīng)電流的大小和方向.

由于感應(yīng)電流的大小與導(dǎo)線切割的速度大小、導(dǎo)線切割的速度方向、永磁體的強(qiáng)度、切割導(dǎo)線的條數(shù)、切割導(dǎo)線的有效長度等因素有關(guān)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)開展相關(guān)因素的探究活動(dòng).

將傳感技術(shù)應(yīng)用于“感應(yīng)電流的產(chǎn)生”的實(shí)驗(yàn)中，不但可以精確地測量電路中的感應(yīng)電流，判斷感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件和影響感應(yīng)電流方向的因素，而且還能進(jìn)一步探究影響感應(yīng)電流大小的因素.與教材中的實(shí)驗(yàn)相比，新的實(shí)驗(yàn)方法更簡便、直觀、精確，有助于學(xué)生進(jìn)一步探究.此外，電流傳感器還可應(yīng)用于探究電流與電壓的關(guān)系、伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)中.

四、展望

科學(xué)課程以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是科學(xué)課程實(shí)現(xiàn)其教學(xué)目標(biāo)的重要載體.應(yīng)用傳感技術(shù)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)是開展初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)一種新的方式，是一種結(jié)合現(xiàn)代分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)手段，也是近些年來實(shí)驗(yàn)改革發(fā)展的新方向.筆者設(shè)計(jì)了一系列的基于傳感技術(shù)的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如用力傳感器研究摩擦現(xiàn)象；用二氧化碳傳感器研究植物的光合作用、種子萌發(fā)釋放CO2；用溶解氧傳感器研究氧氣溶解度和溫度的關(guān)系；用溫度傳感器研究熔化和凝固現(xiàn)象、物質(zhì)溶解過程中能量的變化等；用濕度傳感器研究植物的蒸騰作用等實(shí)驗(yàn)，并將這些實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引起了學(xué)生極大的興趣.筆者希望基于傳感技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革起到積極的作用.