传感器技术在中学物理实验教学中的应用_汤跃明

传统实验教学整合的数字化实验室应运而生。本文就中学物理实验中应用传感器技术的优点作一简单论述， 期待这
一新的知识、技术能早日并广泛地应用于物理教学， 为传统的物理实验教学注入新的活力。
关键词： 信息技术； 传感器； 物理实验； 整合
中图分类号： Ｇ４３４
文献标识码： Ａ
一、引言
人类的发展和进步是建立在工具和手段的进步 之上的。时代在变化， 科学在进步， 应用于教学领域 的技术手段也在不断更新， 人们不断地运用各种工 具和仪器延伸着自己器官的感知范围和准确度， 传 感器就是其中的一种。传感器担负着信息采集的任 务， 相当于人类的“五官”， 在物理实验中， 能够将感 受到的物理量， 如： 力、热、声、光转换成便于测量的 电学量， 并能放大、传输、储存、显示或做出必要的控 制输出。传感器进入中学物理实验室， 不仅成为信息 技术与物理课程整合、教育手段现代化的一个新的 突破口， 而且还能突出物理学科重实际、重应用的特 点， 对培养学生实践动手能力， 激发学生学习科技的 兴趣， 提高综合素质和发展创新思维有着重要的作 用。与传统的实验仪器相比， 传感器更具有品种多、 技术新、功能强、发展快、性能可靠等优势。过去实验 测量器材有电流表、电压表、弹簧秤、水银温度计等， 现 在 则 可 用 电 流 传 感 器 、电 压 传 感 器 、力 传 感 器 、温 度传感器等来测量物理量， 根据测得的实验数据， 再 运用计算机强大的信息处理功能探索物理规律。学 生在这种环境下体验“做科学”的探究过程， 从而实 现科学能力和科技素质的培养。
图３
图４
在弹簧振子的振动实 验 中 （ 图 ３） ， 直 接 将 运 动 发射传感器作为弹簧振子固定在演示装置上， 并与 位移接收传感器位置相对， 使之水平振动， 就可以观 察到振动图像（ 图 ４） 。所以， 这个实验不仅能让学生 “看到”力， 还能够“看到”位移。这意味着实验技术和 实验手段的进步不仅让学生“看到”了物理现象， 帮 助他们总结出了物理规律， 还唤起了学生对物理学 的兴趣， 而这种兴趣正是决定学生在科学探索的道 路上能走多远的关键因素。
提供了新思路， 体现了信息技术对物理教学的整合。
图７
在暂态现象实验中引入传感器， 可以把一个个 物理过程的瞬间变化凝固下来让学生仔细观察和分 析。而“看到”物理现象， 正是理解和认识物理规律的 第一步。
４．利用传感器技术， 学生可以进行探究式学习， 培养创新思维
探究式教学是以探索物理规律为出发点， 以实 验活动为中心， 以学生的探究能力的培养为根本的 一种教学方法。在信息技术的支持下， 探究式教学模 式可以发挥更大的作用。物理学习是一个贯穿了实 验、观察、归纳和抽象的过程。在实验教学中， 我们注 重通过实验再现科学发现的过程， 从而让学生体验 到“猜想— ——验证— ——归纳”的科学探究过程 ， 初 步 掌握科学研究的方法［５］。传感器的应用大大提高了这 种探究过程的实效。对传统实验进行“再挖掘”， 改变 传统实验条件， 开发其潜在的教育和教学功能。中学 物理中的动能定理、动量定理和冲量定理是中学物 理教学中的重要内容， 而传统的教学方法使学生从 理论推导上得到了合乎逻辑的结论， 然而在实际中 什么是动量， 什么冲量， 什么是动能， 为什么动能的 定义要有一个 １／ ２ 的系数？ 学生是没有感性认识的。 在运用传感器进行动能定理、动量定理的教学过程 中， 教师鼓励学生充分利用实验创设的真实情景， 主 动地进行探索、学习； 通过处理实验的一系列数据 ， “发现”新规律，“定义”新的物理量， 让学生在研究和 归纳的过程中感性地理解物理变化及其规律。这样 学生最终不仅可以更深入地理解物理学的现象， 而 且可以掌握学习物理的一种能力， 即独立思考、大胆
３．运用传感器技术可使暂态现象凝固化 在电磁学实验教学中， 实验现象抽象， 再加上受 限于传统的实验手段和方法， 使一些物理现象不能 够清晰展现， 影响了学生对物理规律的认识， 甚至因 为电磁学的“艰深、晦涩”而失去了学习物理的信心， 形成了教学中的一个难点。如果将电流传感器引入 自感实验中， 就可使这种状况大大改观［４］。先将实验 进行改进， 然后教师引导学生对电流的变化过程进 行分析研究， 学生直接看到了实验现象， 并将电流随 时间的变化记录为图像。在此基础上， 老师又启发学 生通过对通电瞬间、通电后、断电瞬间和断电后四个 阶段的观察、分析， 并利用电流传感器电流随时间变 化图像印证学生分析推理的正确与否。在这个过程 中学生由被动地听讲变成了主动参与， 在积极的对 话交流过程中加深了对自感现象本质的理解。这样 不但消除了传统实验仪器不能够直观反映出更本质 现象的弊端， 促进了学生积极地参与， 引导学生由被 动学习走向主动学习， 大大提高了课堂教学的效果。 自感实验现象的“暂态”特征突出， 实验难度大， 对观察和分析手段的要求很高。自感现象实验的关 键， 在于让学生对通电、断电之后， 两个支电路电流 的变化情况及产生原因有一个明确的感性认识。以 往的教学过程中， 一般采用在电路中串接小灯泡的 方法， 实验可靠性较差， 现象不明显， 很难把实验做 深、做透； 改进后的实验电路图如图 ５ 所示， 选用两 只电流传感器， 分别替代传统实验电路里的小灯泡 或电流表（ 图 ６， 配套使用朗威（ｒ）ＥＸＢ 系列电学实验 板） 。利用计算机软件， 即可得到两条清晰展示通电 自感与断电自感现象全过程的图线（ 图 ７， 其中细曲 线代表电阻的支路， 粗曲线代表自感的支路） 。学生 对自感现象的本质也就了然于胸了。
图１
５３Βιβλιοθήκη 数字探究实验室总第 ２３８ 期 中国电化教育 ２００６．１１
图２
在弹簧振子的振动实验中， 学生对实验过程相 对应的物理规律感觉比较抽象， 理解起来十分困难。 学生很难同时观察到回复力、加速度、速度和位移四 个物理量在运动过程中的大小和方向。若利用力传 感器和位移传感器， 加上现代信息技术的优势叠加 分析性， 可方便地调节振动频率或者使其暂停， 动态 分析必将有利于学生建立起简谐运动完整的物理图 景， 取得其它教学手段难以收到的效果。下面具体介 绍一下这个实验， 如图 ３、图 ４ 所示。
!收稿日期： ２００６ 年 ７ 月 １２ 日 责任编辑： 朱广艳
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图５
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２００６．１１ 中国电化教育 总第 ２３８ 期
数字探究实验室
假设和严谨探索实验的能力， 从而开拓学生思维和 培养学生的创新意识。
三、结束语
丰富的传感器可以增强学生的实践体验， 信息
化的实验手段可以拓展学生探究日常生活中物理现
象的能力， 从而能激发学生探究的欲望， 强大的数据
处理能力和开放的平台有利于学生通过努力发现问
参考文献： ［１］ 冯容士．工具的变迁， 课改的理念— ——ＤＩＳＬａｂ 综述［ＤＢ／ ＯＬ］． ｈｔｔｐ：
／ ／ ｗｕｌｉ．ｐｕｄｏｎｇ－ ｅｄｕ．ｓｈ．ｃｎ／ ＣｅｎｔｅｒＷｅｂ／ ５３２／ ＩｎｆｏＬｉｓｔ．ａｓｐ？ＣｏｌｕｍｎＩＤ＝ ５３２＆ＢａｒＩＤ＝ ５６５． ［２］ 首都师范大学附属中学物理组．变“不可见”为“可见”— ——传感器 应用于物理教学实验的实践［ＤＢ／ ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／ ／ ｅｂｌｏｇ．ｃｅｒｓｐ．ｃｏｍ／ ｕｓｅｒｌｏｇ／ ９１７９／ ａｒｃｈｉｖｅｓ／ ２００６／ ３５８４９．ｓｈｔｍｌ． ［３］ 冯容士．ＤＩＳＬａｂ 与力学实验教学［ＤＢ／ ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｕｌｉ．ｐｕｄｏｎｇ－ ｅ ｄｕ．ｓｈ．ｃｎ／ ＣｅｎｔｅｒＷｅｂ／ ５３２／ ＩｎｆｏＬｉｓｔ．ａｓｐ？ＣｏｌｕｍｎＩＤ＝５３２＆ＢａｒＩＤ＝５６５． ［４］ 冯容士．ＤＩＳＬａｂ 与电磁学实验教学［ＤＢ／ ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｕｌｉ．ｐｕｄｏｎｇ－ ｅｄｕ．ｓｈ．ｃｎ／ ＣｅｎｔｅｒＷｅｂ／ ５３２／ ＩｎｆｏＬｉｓｔ．ａｓｐ？ＣｏｌｕｍｎＩＤ＝５３２＆ＢａｒＩＤ＝５６５． ［５］ 韩诗清．浅谈传感器的应用及发展［Ｊ］．郧阳师范高等专科学校学报 ２００５，（ ６） ：４９—５０．
２．运用传感器技术可使微观现象直观化 在学习《声》这一章时， 不但学生学习起来比较 困难， 而且教师对教学的过程也感到束手无策。怎样 让学生了解并掌握声音规律是很多教育工作者头疼 的事情。自从声传感器出现并应用于教学后， 问题一
下就简单多了， 声传感器可以直接检测声音的衰减 过程， 在计算机上可以清晰地看到这一过程。同时利 用声传感器也可以检测到音叉振动形成的 “拍”现 象， 读出“拍”的频率， 栩栩如生， 一目了然。传感器技 术发挥了其独特的作用， 极大地扩展了实验的可视 性和重复性， 信息技术给物理量的测量带来了革命 性的变化， 不但简单方便， 而且调动了学生的主动 性， 激发了学生对物理的学习兴趣。
验 室 （ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ， 简 称 ＤＩＳＬａｂ） 提供的先进技术手段则突破了传统实验手 段的限制， 大幅度改进原来做不出、做不好的实验。 ＤＩＳＬａｂ 的基本系统结构为“传感器＋ 数据采集器＋ 计 算机”， 以一系列传感器替代了传统的测量仪器， 能 够 完 成 力 、热 、声 、光 、电 、位 移 、磁 感 强 度 、辐 射 等 多 种物理量数据的采集。传感器数据通过四通道数据 采集器处理后上传到计算机， 由教学软件进行实时 的处理与分析。［１］超重、失重是生活中的常见现象， 电 梯升降、宇航员在太空中产生的失重现象学生们都 能一一列举出来， 然而如何从物理学的规律出发来 认识超重、失重产生的原因， 却是一个教学难点。超 重、失重现象发生在物体变速运动的过程中， 传统的 实验装备只能用弹簧测力计测量压力的变化， 而且 在课堂中演示实验所经历的时间又很短暂， 学生根 本就看不清楚弹簧测力计的读数， 更谈不上对数据 的记录， 不能给学生提供有分析价值的数据。
物理实验教学的成功经验表明， 把物理现象和 规律纳入学生的可视化范围［２］， 让学生“看到现象”是 实验成功的关键。利用图线反映物理规律、分析物理 问题， 历来是物理教学重要的方法之一。将传感器技 术引入超重、失重教学， 就可以在很短的时间内清楚 地记录下压力随时间变化的图像［３］。如图 １ 所示， 学 生在实验中手持吊有砝码的力传感器在垂直方向加 速运动， 即可获得清晰的“力－ 时间”图线（ 如图 ２ 所 示） ， 从图 ２ 中可以清晰地观察到超重、失重现象。