传感器在高中物理新课程实验教学中的应用与思考

摘要：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，而且对学生物理创造性思维能力的培养起到了重要的作用。本文结合教学实例，对传感器在高中物理新课程实验教学中的优点、应用程序和合理应用等方面进行了思考和论述。

关键词：传感器；高中物理；实验教学；信息技术

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2011)2(S)-0070-4

信息技术正在改变人们的生活方式、思维方式和教育方式，如何发挥信息技术在课程改革中的作用，也是当前课程改革研究的一个重要问题。 2003年国家公布的新课程标准，对信息技术与物理课程的整合提出了具体的要求，尤其是将传感器列入中学物理课程，提出“了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便”，这在我国中学物理教学中还是头一回。

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。2006年8月，我校购进了几套传感器设备，三年多来，我校师生在利用传感器辅助物理课堂实验教学方面受益非浅。本文就此方面进行一些探讨和思考，希望能够对广大师生有所帮助。

1 什么是传感器

在新课程的实施过程中，随着教学手段现代化发展，传感器作为一类新的教学仪器、一种新的实验方法进入了高中物理课堂。传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器实际上相当于人类的“五官”，它担负着信息采集的任务。在物理实验中，传感器能够感受诸如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、电阻等电学量，并能放大、传输、储存、显示或做出必要的控制。

2 传感器在高中物理实验教学中的优点

与传统的实验仪器相比，传感器能使原来不容易实现的实验或者无法定量分析的实验均能顺利完成，大大激发了学生的兴趣，活跃了课堂气氛，提高了教学效率。

2．1 使实验过程可视化，利于学生理解物理概念

物理实验教学的成功经验表明：让学生“看到现象”是实验成功的关键。当传统的实验难以呈现相关的物理现象与过程时，运用传感器技术使实验过程可视化，有利于学生对物理概念的理解。如使用力传感器进行牛顿第三定律教学，取得了令人满意的效果。实验中，通过软件分别将两只传感器的“力-时间”图线定义为红色和蓝色，将其中一个传感器的图线设为“镜像显示”。两手各持一只力传感器，向相反方向拉。观察获得的图线，发现两条图线以时间轴为中心上下对称（图1）。相互作用的力，大小相同方向相反的规律得以清晰展现。图 1

2．2 使暂态现象凝固化，利于学生理解物理本质

在电磁学实验教学过程中，一些物理现象虽然并非微小信号，但持续时间很短，比如自感现象。基于传统仪器，物理现象的表现不过是小灯泡的瞬间明灭或电流表（电压表）指针的快速摆动，面对仪器的瞬间变化，学生的思维来不及跟随，实验效果受到影响。因此，怎样捕捉暂态信号，把物理过程的瞬间变化凝固下来让学生仔细观察和分析，一直令我们很伤脑筋。在自感现象中引入电流传感器后，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2），使学生直观地看到自感对电流的影响，引导学生认识自感现象的本质。接着启用传统的自感现象演示器，展示两只小灯泡的亮度变化，验证学生分析推理的正确与否。学生由被动地听讲变成了主动参与，在积极地对话交流过程中加深了对自感现象本质的理解，大大提高了课堂教学的效果。图 2

2．3 使微观现象直观化，激发学生学习物理兴趣

声波作为机械波的特例，怎样让学生了解并掌握声音规律是令很多教师头疼的事情。自从声传感器应用于教学后，问题一下就简单多了，声传感器可以直接检测声音的振幅衰减过程，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声源振动的频率，栩栩如生，一目了然。传感器技术使微观现象直观化，而且调动了学生的主动性，激发了学生对物理的学习兴趣。

2．4 学生自主时间增多，利于课堂实施探究教学

传统实验探究将占去了大部分时间，根本没有足够的时间让学生充分自由表达、质疑和提问。而利用传感器和数据采集器代替人眼读取数据，用计算机软件取代纸笔方式记录数据，计算机软件代替人脑对数据进行简单处理和分析，使学生摆脱了繁琐的计算过程。传感器和数据采集器其强大的信息处理能力能够直接把测量数据的变化过程通过“待测物理量-时间”图象显示出来，直观地看出物理量之间的变化关系。这让学生能够将更多的时间、精力用于实验设计，用于探究和分析，用于验证和修改假设，有利于合作学习、自主探究的实施。

3 传感器在高中物理新课程实验教学中的应用程序和案例

3．1 主要程序

3．2 应用案例

实验内容：探究加速度与力、质量的关系（人教版高中物理必修1第四章第2节）

实验目的：知道用控制变量方法来研究加速度与力和质量的关系；利用位移传感器和计算机辅助实验系统测量，利用Excel分别得到加速度与力、加速度与质量的关系图像，寻求物理规律。

实验器材：位移传感器、轨道小车（质量181g）、“朗威DISLab”数据采集器、教材专用软件、计算机；塑料桶（12g），专用砝码5g、10g、20g若干；专用铁片若干（50g）。

实验原理：把小车放在光滑的水平轨道上，并系一根绳，绳的另一端跨过定滑轮并系住砝码，使小车在砝码的拉力作用下作匀加速运动。将小车与测试加速度的运动传感器连接，并连入电脑，通过“朗威DISLab”教材专用软件“从v-t图求加速度”系统，快速地求出加速度a。小车的质量和力的大小可以通过增减砝码来改变。

实验步骤：

（1）将位移传感器接收器固定在轨道的一端，连接到数据采集器，将位移传感器发射器固定在小车上。

（2）进行平衡摩擦力调整：运行单机运行平台，打开教材专用软件“从v-t图求加速度”系统。当得到速度图像成一条直线、加速度接近零，平衡摩擦力的调整完成。

（3）研究力与加速度的关系。

①将小车放到轨道上，打开位移传感器发射电源开关；点击“开始按钮”释放小车，使小车在砝码的拉动下开始运动。待小车运动到轨道另一端，点击“关闭按钮”，结束第一次数据采集。

②参照研究匀变速直线运动的方法选择一段v-t图像，专用软件“从v-t图求加速度”系统自动求出a。

③保持小车质量不变，逐次增加砝码的质量使其对小车施加的拉力逐步增大，重复步骤①②。

④实验的多次采集的数据记录如表1。

（4）研究加速度与质量的关系。

操作方法同研究力与加速度。提供拉车的砝码质量12g一定，小车连同位移传感器、固定螺丝等总质量约为181g。改变运动物体的质量的铁片质量50g。实验的多次采集的数据如表2。

（1）在Excel中输入数据，选中需要作图的数据区域，单击“插入”菜单中的“图表”。

（2）在跳出的对话框中选中“XY散点图”，单击“下一步”进入“步骤二”，再单击“下一步”进入“步骤三”。在“步骤三”中完成对图表标题，坐标轴的标题等的设置，单击“完成”就生成了实验数据的分布图。

（3）选中图中的数据点，在右键菜单中选择“添加趋势线”，在对话框中的“类型”项选中“线性”，在“选项”项中勾选“显示公式”和“显示R2”两项，单击“确定”按钮。

（4）画好a与F图线（图3）后，发现在添加趋势线后如果用“线性”，R2值接近1。画好a与m图线后，发现在添加趋势线后如果仍然用“线性”，R2的值偏离1较大，而且很多点也不在直线上。这说明“a-m”的关系不一定是线性的，可以在图线上右击选中“趋势线格式”，打开对话框“类型”，改选“乘幂”后“确定”，发现图线变成了曲线，方程变为了幂函数形式，指数接近-1，R2的值非常接近1，因此可以确定a与m成反比关系（图4）。我们再画出“a-1/m”的图线（图5），进一步确定a与m的关系。

可以得出：质量一定，加速度与力成正比关系；力一定，加速度与质量成反比关系。

（简评：传感器应用于物理实验的优势在于能精确、实时地测量并记录物理信息数据，实现了数与形的结合，物与图的结合。）

实验结论：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。

应用拓展：随后，让学生分析直线与原点之间存在距离的原因，引出实验误差的概念，并寻找误差产生的原因，进而研究减小误差的方法。

4 案例反思

4．1 传感器的合理应用提高了教学的有效性

在本案例中，如果采用教材中所提供的实验方案（用夹子夹住小车后面的绳子控制小车的运动），虽然实验思想方法很好，但是操作困难、实验误差大，甚至个别学生很努力也得不到定量的实验结论，不利于培养学生实事求是的科学素养。根据本校的实际情况，笔者改用位移传感器和计算机辅助实验系统，记录运动小车通过两个位置的速度和时间间隔，利用a=vt-v0t，快速地求出加速度a。利用测出的多组精确的实验数据，学生能像真实的科学研究那样分析处理这些数据，突破了教学难点，起到了事半功倍的效果。而且实验过程格外紧凑，中间干扰明显减少。从提出探究课题、制订实验方案、采集数据分析，得出结论仅需1课时，不仅增加了学生自主实验设计的时间，而且提高了课堂实验教学有效性。

4．2 传感器的合理应用体现了现代信息技术与课程的有机整合

传感器应用于高中物理实验, 为中学物理教学增添了一种先进的实验手段。仅凭“瓶瓶罐罐做实验”的时代应该是一去不复返了，因此在开展传感器应用于高中物理实验过程中，要让学生深刻体会到现代信息技术与课程整合的重要性，转变观念，与时俱进。在本案例中最后用计算机Excel软件处理实验数据，画出相关的a-F，a-1／m图像，寻找各个物理量之间的关系，使物理教学和计算机达到有机整合。不仅收到事半功倍的教学效果，而且让学生感到现代科学技术在物理学研究中使用的重要性。由于处理数据的能力提高了，研究手段多样化，教学中可以充分运用“观察与思考”“实验探究”“讨论与交流”这些研究方法，使学生能够在学习物理知识的过程中掌握一定的物理研究方法，培养了学生探索能力。

4．3 传感器的合理应用与传统物理实验应相得益彰

教师使用传感器应用于高中物理实验，可以促进教学、提高教学效率，加大教研力度、提高教研水平。但是传统实验本身也有自身的优势，如取材容易，实验成本低，实验原理清楚，现象分明，易于操作，其本身就能达到很好的实验效果，这就不需要用传感器来“做秀”。所以传感器应用于高中物理实验与传统的实验应是共存与互补，相辅相成，既无主次之分，更不能完全替换，是继承与发展的关系。在物理教学过程中既要提倡传感器应用于高中物理实验，又不能偏废传统实验原理、实验手段和实验方法的学习。而应该从教学实验内容实际出发，将两者有机地结合起来，共存互补，才能充分发挥各自的优势。

总之，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题寻找规律，有利于学生将所掌握的信息技术知识(如Excel处理数据方法),引入物理实验传感器技术应用于物理实验教学是一次教学手段的革新，是教育技术的进步，无论理论还是实践都证明了传感器技术应用于教学具有非常独到的优点，在教学方法上实现了多样化；在教学模式上，使个别化学习和交互式教学成为可能；在教育观念上，为教育的发展提供了新思路，体现了信息技术对物理教学的整合。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.物理课程标准［M］.北京：人民教育出版社,2003

［2］周香. 数字化实验系统对传统物理实验的改进［J］.中国教育信息化.基础教育，2008(06)

［3］汤跃明. 传感器技术在中学物理实验教学中的应用［J］.中国电化教育，2006(11)

［4］冯容士.DISLab与力学实验教学［J］.物理教学，2004（11）

(栏目编辑张正严)

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