傳感器在高中物理新課程教學中的應用

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實驗儀器存在的優勢：運用傳感器可以使傳統實驗器材無法演示的實驗成為可能；可以減少傳統實驗器材帶來的系統誤差；可以使暫態實驗現象凝固化；可以擴大實驗器材的量程；可以提高數據采集的正確性、數據處理的便捷性。

關鍵詞：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，隨著教學手段現代化發展，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，實現信息技術與實驗教學相結合的數字化實驗室。

物理是一門以實驗為基礎的科學，《高中物理課程標準》指出：“突出物理學科特點，發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容。教師應該積極開發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應用在物理實驗中……”。建構主義學習理論和教學理論認為，學生是知識意義的主動構建者，教師是教學過程的組織者和指導者，意義建構的幫助者和促進者，教材所提供的知識不再是教師傳授的內容，而是學生主動建構意義的對象，媒體也不再是幫助教師傳授知識的手段、方法，而是用來創設情境、進行協作學習和會話交流，即作為學生主動學習和協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，因此，必須相應地改革實驗教學的內容和形式。數字化實驗以真實實驗為基礎，通過各種傳感器替代傳統的儀表，將實驗數據采集之后交由計算機分析處理，能夠更加清晰、明確地展示現象，幫助學生建立物理模型，得出物理規律。

在物理課堂教學中，有許多物理實驗的完成是瞬時的，現象是單一的，學生很難觀察清楚；有的實驗受條件的限制，現象不夠清晰或者無法在課堂上進行，而這些實驗現象中往往蘊含著豐富的信息和深刻的物理規律，對學生知識的構建有很好的作用。傳感器進入中學物理實驗室，不僅成為信息技術與物理教學相結合、教育手段現代化的一個新的突破口，而且還能突出物理學科重實際、重應用的特點，對培養學生實踐動手能力，激發學生學習物理的興趣,提高綜合素質和發展創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驗與大家分享，體會其相比傳統的實驗器材所帶來的優勢。

1 運用傳感器可以使傳統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強度時，由于磁感應強度本身是一個比較抽象的物理概念，在傳統中學物理實驗設備中，沒有器材能很方便地測量磁感應強度，所以給學生的學習帶來了很大的困難。現在有了磁感應傳感器，就可以用它很方便地測量磁感應強度。實驗過程如下：把磁感應傳感器和電腦相連，打開配套的軟件，使磁感應傳感器的測量頭伸入通電線圈內部的不同位置，就可以從傳感器上采集到不同位置的磁感應強度。實驗演示和結果如圖1所示。從圖像中可以很明顯的得到通電螺線管內磁場的磁感應強度的分布：中間位置磁感應強度最大，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實驗器材帶來的系統誤差

比如在必修一《自由落體運動》一節中，教師一般會做自由落體運動的演示實驗，如果采用傳統的打點計時器來做，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實驗現象凝固化

比如必修一中《牛頓第三定律》一節，采用力傳感器可以很直觀地顯示作用力與反作用力產生、變化、消失時的相互關系（如圖3）。本章后來出現超重和失重概念，很多教師都會用彈簧秤來演示超重和失重現象，但是用彈簧測力計演示實驗所經歷的時間很短,學生根本就看不清楚彈簧測力計的讀數，更談不上對數據的記錄，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定律這一節的時候，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一個閉合線圈，線圈內部就會產生感應電流。但是采用傳統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這樣的實驗要求，實驗現象裝置和實驗結果如圖5所示。

5 采用傳感器做實驗可以提高數據采集的正確性、數據處理的便捷性

比如在做驗證牛頓第二定律的實驗時需要很多工作，如數據采集、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的按鈕，數據采集和處理就完成了，同時得到了相應的曲線（見圖6）。

采用傳感器來完成物理實驗與采用傳統的實驗器材來做物理實驗相比，在許多方面有著很大的優勢。傳感器技術應用于物理實驗教學是教學手段的革新，是教育技術的進步。如何在物理教學中充分發揮傳感器的作用，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學生興趣，確立學習動機；在科學探究過程中應用傳感器；使用傳感器改變教師的實驗教學方式，教師演示轉變為學生體驗；使用傳感器改變學生學習方式，把教師講、學生聽的形式轉變為學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.傳感器技術在中學物理實驗教學中的應用［J］.中國電化教育.2006(11).

(欄目編輯張正嚴)