數字化傳感器在高中物理實驗中的應用研究

趙春博

(寧波惠貞書院 315000)

數字化實驗(簡稱DIS)就是用傳感器獲取信息，經數據采集器由計算機進行數據和圖形處理的教學技術平臺.它為人類提供了一種探索世界的新工具.由于數字化實驗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，數字化實驗相繼被編入普通高中物理的各版教材.2006年，浙江省進入新課程改革，使用的人教社出版的物理教材也編入了一批數字化實驗.運用數字化傳感器進行物理實驗，可直觀地顯示出了實驗的結果，完美地展現了物理研究的整個過程，它必將為高中物理課堂教學的變革創造出奇跡.但是在高中階段，老師對數字化傳感器的利用率并不高，覺得還不如自己講課來的效率高.本文就在此背景下提出三種利用數字化傳感器的課型.

一、應用數字化傳感器進行實驗的嘗試

為了更好地發揮DIS的教學教育功能，充分挖掘DIS在物理實驗教學中的優勢，教師利用DIS實驗設計了探究型、情境型和設計型三類課型，并分對照班實施教學.在教學過程中，教師詳細記錄教學過程，對學生的實驗教學效果、自主探究意識、科學求真精神、自我信息素養進行評價.根據評價的結果，教師不斷地調整教學方法和策略，逐步完善物理實驗教學過程.

1.探究型DIS實驗課

探究型DIS實驗課是指利用DIS傳感器對物理量進行監測，并通過DIS軟件包進行數據分析，尋找物理現象背后的內在規律.絕大多數的DIS實驗課都是探究型實驗課，DIS的最大優勢就在于它的探究功能.

該課型主要目的是再現物理研究的過程，培養學生自主探究意識，實事求是的研究精神，提高學生的自我信息素養.該課型的教學過程如下所示：

(1)確定問題情景.

(2)分析因果，提出假設.

(3)利用DIS設計方案，驗證假設.

(4)分析數據，得出結果.

案例1 在進行玻意耳馬略特氣體定律的教學中，教師利用DIS壓強傳感器探究一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，氣體的壓強隨體積的變化關系.具體的教學過程如下.

問題情境：乒乓球凹進去了怎么辦？(將乒乓球放入開水中)夏天給自行車輪胎打氣應注意什么？(不要打得太足)

分析因果：球內空氣溫度上升，壓強變大，體積變大，所以乒乓球恢復原狀.

自行車胎內空氣溫度上升，壓強變大，體積變大，所以打氣太足要曝胎.

提出假設：一定質量的氣體的溫度、壓強、體積三參量之間存在一定的定量關系.

設計實驗：由于一定質量的氣體存在三個狀態參量，所以在設計方案時采用控制變量思想.先控制氣體的溫度不變，研究氣體的壓強隨體積的變化.用標注體積刻度的注射器讀出封閉氣體的體積，用壓強傳感器測量不同體積下氣體的壓強，研究氣體的壓強隨體積的變化關系.DIS的連接裝置如圖1所示.

實驗結論：一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，氣體的壓強和體積成反比關系.

2.情境型DIS實驗課

情境型DIS實驗課是指利用DIS創設形象生動的物理情境，激發學生的學習熱情，引發學生進行理性思考的課堂教學類型.

該課型主要目的是通過改變學習內容的呈現方式，培養學生有意識的觀察物理現象習慣，培養學生的觀察、分析能力，激發學生學習的熱情.該課型的教學一般在新課引入或某個新知識點引入前使用.在教學中，教師只需直接進行演示讓學生觀察實驗產生的現象，引發學生的思考，從而引入新課或新的知識.

案例2 在進行“磁生電” 的教學中，教師利用DIS微電流傳感器創設了在地磁場中搖“繩”發電的實驗，改變了學習內容的呈現方式.具體的教學過程如下.

兩個同學迅速搖動一條一米長的電線，能發電嗎？將一條一米長的導線與微電流傳感器連接成回路進行實驗.請兩位同學在東西方向上搖電線，結果電路中產生了感應電流.若在南北方向上搖電線，結果電路中產生的感應電流變小.電線的電流是如何產生的呢？

3.設計型DIS實驗課

設計型DIS實驗課是指利用DIS的傳感器尋找到的物理規律設計新的實驗儀器、實驗電路等，并利用DIS對實驗儀器進行測試、評估、校準的課堂教學類型.該課型主要目的是展示物理儀器、實驗電路等的設計過程，培養學生自主探究的意識，自主設計實驗裝備的能力.

該課型的教學過程是：

(1)提出設計問題.

(2)設計分析.

(3)提出設計方案.

(4)制作模型或原型.

(5)測試評估和校準.

案例3 在進行傳感器的教學中，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系之后，請學生根據這一規律用熱敏電阻設計一個數字溫度計，并畫出該數字溫度計的設計電路圖.在設計完成之后，用DIS的溫度傳感器作為標準溫度對數字溫度計進行校準.具體教學過程如下.

提出設計問題：利用熱敏電阻，結合DIS平臺，設計一個數字式溫度計.

設計分析：首先，確定熱敏電阻阻值與溫度的函數關系.如果能精確地測定熱敏電阻阻值與溫度的關系，那么只要知道電阻便可知道溫度.其次，確定測定電阻的方法.由于常溫下熱敏電阻較大，高溫下電阻很小，電阻隨溫度時刻變化，測量電阻無法用伏安法進行.那么如何測量熱敏電阻的阻值呢？

制作模型：搭建實驗電路，連接DIS平臺并實施設計方案.

測試評估校準：將DIS溫度傳感器作為標準溫度計，對設計好的數字溫度計進行測試，進行測量誤差分析，考查產生誤差的原因，并進行校準.

參考文獻：

[1]魏慧軍.基于DIS的上海二期課改高中物理實驗教學現狀調查及分析[D]. 上海：上海師范大學，2006(4).