傳感器及配套軟件在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王燕君

摘要： 數(shù)字傳感器具有精確、智能、方便等優(yōu)勢(shì)。小學(xué)科學(xué)教師可以合理利用數(shù)字傳感器改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，借助智能控制技術(shù)降低實(shí)驗(yàn)難度，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，化抽象為具體，用數(shù)據(jù)證明事實(shí)，實(shí)現(xiàn)從定性到定量的轉(zhuǎn)變。實(shí)踐證明，教師應(yīng)用傳感器開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

關(guān)鍵詞：傳感器;實(shí)驗(yàn)探究;小學(xué)科學(xué)教學(xué)

在高速發(fā)展的數(shù)字時(shí)代，小學(xué)生從小就接觸智能化的學(xué)習(xí)產(chǎn)品，已經(jīng)習(xí)慣科技帶來(lái)的便利和樂(lè)趣。科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課程的教學(xué)需要與時(shí)俱進(jìn)以適應(yīng)新要求。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往只進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的定性描述，缺乏定量分析。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较缕鞑氖褂眯实停僮鬟^(guò)程復(fù)雜，影響學(xué)生觀察和思考。此外，由于器材的限制，可探究的內(nèi)容較少，而小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域，概念抽象，并且存在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較難獲取或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)誤差較大的問(wèn)題。為滿足學(xué)生的探究需求，一些教師開(kāi)始應(yīng)用傳感器等新技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。筆者所在學(xué)校將傳感器引入科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生提供了一個(gè)自主探索的平臺(tái)，不僅支持學(xué)生的課內(nèi)探究實(shí)驗(yàn)，而且助力學(xué)生課外拓展探索。實(shí)驗(yàn)效率的提高使得學(xué)生有更多的時(shí)間思考、交流、整理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，思考問(wèn)題。學(xué)生的好奇心和求知欲得到滿足，他們學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的興趣自然變濃。下面，筆者結(jié)合課堂實(shí)踐談傳感器及其配套軟件在小學(xué)科學(xué)中的應(yīng)用方法與技巧。

一、精準(zhǔn)測(cè)量，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法

傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)精確度高、誤差小，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法比擬的。例如，在測(cè)量力的大小時(shí)，學(xué)生利用力傳感器比使用彈簧測(cè)力計(jì)更方便，更準(zhǔn)確。力傳感器在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中可以使用的范圍很廣，應(yīng)用到不同的實(shí)驗(yàn)中會(huì)有不同的效果。

如何測(cè)量下沉物體受到的浮力，教材提供的方案是：用彈簧測(cè)力計(jì)先測(cè)出物體在空氣中的讀數(shù)，再分別將物體小部分浸入水中、大部分浸入水中、全部浸入水中，測(cè)出物體在水中的讀數(shù)，然后計(jì)算浮力，得出浮力與排開(kāi)的水量的關(guān)系。用傳統(tǒng)器材測(cè)量本身沒(méi)有問(wèn)題，但是班級(jí)學(xué)生眾多，很難保證所有學(xué)生都規(guī)范操作：學(xué)生持彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)手容易抖動(dòng)，在彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)上下浮動(dòng)的情況下估讀數(shù)值，容易造成誤差偏大。

筆者讓學(xué)生用力傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì)，并將其固定到鐵架臺(tái)上，先測(cè)出物體在空氣中的重力，然后將裝水的燒杯置于升降臺(tái)上，慢慢旋轉(zhuǎn)提高升降臺(tái)使物體逐漸浸入水中。整個(gè)過(guò)程中，拉力的變化情況通過(guò)配套軟件以坐標(biāo)圖的形式呈現(xiàn)，筆者借此讓學(xué)生直觀地看清拉力變化情況，從而得知浮力的變化及浮力與物體浸入水中體積的關(guān)系（如圖1）。

二、智能控制，提高操作便易性

小學(xué)科學(xué)教材中部分實(shí)驗(yàn)操作難度較大，學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差大，以傳統(tǒng)方式操作，耗時(shí)費(fèi)力，如采用智能手段控制，就便捷很多。例如：以傳統(tǒng)方式探究“物體顏色與吸熱的關(guān)系”，用一節(jié)課的時(shí)間都不夠，筆者利用溫度傳感器輕松解決了這個(gè)難題。實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者讓學(xué)生在三支溫度傳感器的探頭上套上三種不同顏色的受熱棒，將其固定在鐵架臺(tái)上，置于燈光或太陽(yáng)光下，即得三種顏色的溫度變化曲線圖（如圖2）。

再如，筆者利用智能控制技術(shù)改進(jìn)了研究“金屬熱脹冷縮”的實(shí)驗(yàn)。原先的方案是：在鋼條一端加熱，另一端插一枚大頭針，大頭針彎曲即說(shuō)明鋼條受熱膨脹。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鋼條受熱會(huì)向沒(méi)有固定的一端膨脹，大頭針傾斜并不明顯;熱脹的效果需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能體現(xiàn)，僅靠大頭針的傾斜程度并不能達(dá)到吸引學(xué)生眼球的效果;實(shí)驗(yàn)僅能讓人看到鋼條的熱脹，卻無(wú)法讓人看到鋼條的冷縮。筆者的改進(jìn)方法是：將鋼絲一端固定，另一端用傳感器拉緊，再在中間放蠟燭對(duì)其加熱，力的示數(shù)越來(lái)越小，說(shuō)明鋼絲膨脹變長(zhǎng)了;取下蠟燭，一段時(shí)間后，力又會(huì)變大，鋼絲冷縮，現(xiàn)象明顯。這樣操作非常簡(jiǎn)便，傳感器的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)（如圖3）。學(xué)生用新方法操作更加便利、有效，熱情高漲。

三、化抽象為具體

如何判斷聲音的高低和強(qiáng)弱，對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定困難。筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)小學(xué)生很容易混淆音量和音調(diào)這兩個(gè)概念，為此苦惱不已。正當(dāng)“山重水復(fù)疑無(wú)路”時(shí)，筆者嘗試使用聲波傳感器，豁然開(kāi)朗。聲波傳感器可以將看不見(jiàn)的波變成直觀化的曲線，直接檢測(cè)出聲音的變化過(guò)程，并清晰地在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)這一過(guò)程（如圖4）。當(dāng)音量增大時(shí)，波的振動(dòng)幅度加大;當(dāng)音調(diào)變高時(shí)，波的振動(dòng)頻率增大。筆者使用傳感器技術(shù)，借助動(dòng)態(tài)圖讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到聲音是以波的形式傳播的，從而減輕了他們的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

磁對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是很抽象的，教材給出的實(shí)驗(yàn)方法是以吸引大頭針數(shù)量多少來(lái)判斷電磁鐵的磁性強(qiáng)弱。這樣實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)磁的認(rèn)識(shí)還是不深。如何解決上述問(wèn)題？筆者利用磁傳感器和電磁鐵實(shí)驗(yàn)器，指導(dǎo)學(xué)生探究影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素，非常便捷。學(xué)生可以在電磁鐵實(shí)驗(yàn)器上設(shè)定線圈圈數(shù)和電流大?。ㄈ鐖D5）。

電生磁可以用磁傳感器，那么磁生電呢？筆者讓學(xué)生將微電流傳感器與線圈連接，用條形磁鐵穿過(guò)線圈，測(cè)出感應(yīng)電流大小，從而證明電和磁是可以相互轉(zhuǎn)化的。

四、從定性到定量

如果利用傳統(tǒng)工具操作，很多實(shí)驗(yàn)只能簡(jiǎn)單定性描述，比較模糊，難以定量分析。例如，蠟燭燃燒產(chǎn)物是什么，對(duì)此教材直接寫明：燃燒充分的蠟燭生成的是水和二氧化碳，屬化學(xué)變化。學(xué)生只能死記硬背。如果非要檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物，學(xué)生需要將燃燒后的氣體收集起來(lái)，通過(guò)無(wú)水硫酸銅和澄清石灰水來(lái)檢驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，操作困難，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也只是定性描述。

筆者使用傳感器，使這個(gè)實(shí)驗(yàn)大大簡(jiǎn)化。筆者指導(dǎo)學(xué)生將點(diǎn)燃的蠟燭置于氣液相密封實(shí)驗(yàn)器中，蓋上蓋子，連上二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、相對(duì)濕度傳感器（軟件自動(dòng)記錄蠟燭燃燒過(guò)程中氧氣、二氧化碳及濕度的變化過(guò)程）。待蠟燭熄滅后，停止記錄，并利用繪圖功能畫出三者變化曲線，即可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：蠟燭燃燒過(guò)程中消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳并有水生成（如圖6）。

該裝置也可用于探究“呼吸后氣體成分的變化”。具體方法是：首先測(cè)出空氣中二氧化碳、氧氣、相對(duì)濕度，然后往實(shí)驗(yàn)器里吹氣，測(cè)出呼出氣體三者的含量，并與空氣作對(duì)比，比較人呼出氣體與吸入氣體成分的變化。

五、用數(shù)據(jù)證明事實(shí)

在小學(xué)科學(xué)教材中很多現(xiàn)象沒(méi)有數(shù)據(jù)的支撐，學(xué)生只能記憶。例如，三年級(jí)學(xué)生要用到酒精燈加熱，酒精燈在使用時(shí)要用外焰加熱，因?yàn)橥庋鏈囟茸罡?，?nèi)焰溫度最低。誰(shuí)高誰(shuí)低為什么不測(cè)一下呢？筆者將點(diǎn)燃的酒精燈放在升降臺(tái)上，然后將高溫傳感器固定到鐵架臺(tái)上，并將溫度計(jì)感應(yīng)探頭置于酒精燈焰心。待溫度逐漸上升直到穩(wěn)定后，筆者降低升降臺(tái)，依次測(cè)量?jī)?nèi)焰和外焰的溫度，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)曲線（如圖7），知曉酒精燈焰心溫度約600 ℃，內(nèi)焰溫度約710 ℃，外焰溫度約780 ℃，外焰溫度最高，焰心溫度最低。

又如，對(duì)于能量的轉(zhuǎn)化，教材僅定性地簡(jiǎn)單描述，如動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能。朗威傳感器套材中有一套摩擦做功實(shí)驗(yàn)器（如圖8），教師可以用它開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)。筆者首先將實(shí)驗(yàn)器固定，然后在實(shí)驗(yàn)器黃銅管一側(cè)插入溫度傳感器，拉動(dòng)套在黃銅管上的棉繩，使管內(nèi)氣體溫度逐漸上升。筆者拉動(dòng)速度越快，溫度上升趨勢(shì)越明顯，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了熱能。套材中還有一套地磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)，操作者只需將微電流計(jì)連接兩個(gè)接線柱，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，即可產(chǎn)生電流。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅能證明磁可以生電，而且能讓學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)到地球也是一個(gè)大磁體。

再如，“溫室效應(yīng)是由于大氣中二氧化碳濃度升高引起的”可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明。筆者指導(dǎo)學(xué)生先用試管收集空氣和二氧化碳，在試管口的位置分別插入兩支溫度傳感器后，將其放入遠(yuǎn)紅外加熱器里加熱，一定時(shí)間后比較兩條溫度變化曲線圖，即可得出結(jié)論：二氧化碳?xì)怏w吸收光線中的紅外線造成溫度升高，大氣中二氧化碳含量提高會(huì)造成溫室效應(yīng)。

傳感器的應(yīng)用讓人們探索科學(xué)更為簡(jiǎn)便、高效^[1]。這樣的變化使得實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)也跟著變化，最終引發(fā)教學(xué)方式的變革，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)我國(guó)小學(xué)科學(xué)教學(xué)儀器的更新與升級(jí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐春明.傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2014（9）.

（作者系浙江省義烏市北苑街道前洪小學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志