传感器在高中物理新课程教学中的应用

孙　波

摘要：本文基于高中物理课堂教学中引入传感器的一些教学实践，探究高中物理新课程中传感器在物理实验中相对于传统实验仪器存在的优势：运用传感器可以使传统实验器材无法演示的实验成为可能；可以减少传统实验器材带来的系统误差；可以使暂态实验现象凝固化；可以扩大实验器材的量程；可以提高数据采集的正确性、数据处理的便捷性。

关键词：传感器；新课程；高中物理；实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2009)4(S)-0075-4

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，部分学校还配置了以传感器和计算机为基础，实现信息技术与实验教学相结合的数字化实验室。

物理是一门以实验为基础的科学，《高中物理课程标准》指出：“突出物理学科特点，发挥实验在物理教学中的重要作用，物理实验是高中物理教学中的重要内容。教师应该积极开发适合教学的实验项目，充分利用实验资源做实验。鼓励教师将电子计算机等多媒体技术应用在物理实验中……”。建构主义学习理论和教学理论认为，学生是知识意义的主动构建者，教师是教学过程的组织者和指导者，意义建构的帮助者和促进者，教材所提供的知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对象，媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情境、进行协作学习和会话交流，即作为学生主动学习和协作式探索的认知工具。显然新课程标准理念下的物理实验教学，改革了物理实验教学的目标和性质，因此，必须相应地改革实验教学的内容和形式。数字化实验以真实实验为基础，通过各种传感器替代传统的仪表，将实验数据采集之后交由计算机分析处理，能够更加清晰、明确地展示现象，帮助学生建立物理模型，得出物理规律。

在物理课堂教学中，有许多物理实验的完成是瞬时的，现象是单一的，学生很难观察清楚；有的实验受条件的限制，现象不够清晰或者无法在课堂上进行，而这些实验现象中往往蕴含着丰富的信息和深刻的物理规律，对学生知识的构建有很好的作用。传感器进入中学物理实验室，不仅成为信息技术与物理教学相结合、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，激发学生学习物理的兴趣,提高综合素质和发展创新思维有着重要的作用。下面就笔者采用传感器所做实验的一些经验与大家分享，体会其相比传统的实验器材所带来的优势。

1 运用传感器可以使传统实验器材无法演示的实验成为可能

在《磁场》这一章中讲到磁感应强度时，由于磁感应强度本身是一个比较抽象的物理概念，在传统中学物理实验设备中，没有器材能很方便地测量磁感应强度，所以给学生的学习带来了很大的困难。现在有了磁感应传感器，就可以用它很方便地测量磁感应强度。实验过程如下：把磁感应传感器和电脑相连，打开配套的软件，使磁感应传感器的测量头伸入通电线圈内部的不同位置，就可以从传感器上采集到不同位置的磁感应强度。实验演示和结果如图1所示。从图像中可以很明显的得到通电螺线管内磁场的磁感应强度的分布：中间位置磁感应强度最大，两边逐渐减弱，与课本上的磁感线分布图相吻合。

2 运用传感器可以减少传统实验器材带来的系统误差

比如在必修一《自由落体运动》一节中，教师一般会做自由落体运动的演示实验，如果采用传统的打点计时器来做，不可避免的会存在纸带和计时器之间的摩擦而带来的系统误差。而使用位移传感器来做这个实验则可以极大地减小这个系统误差。实验原理图、演示照片图、软件截屏图如图2所示。

3 运用传感器可以使暂态实验现象凝固化

比如必修一中《牛顿第三定律》一节，采用力传感器可以很直观地显示作用力与反作用力产生、变化、消失时的相互关系（如图3）。本章后来出现超重和失重概念，很多教师都会用弹簧秤来演示超重和失重现象，但是用弹簧测力计演示实验所经历的时间很短,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，使得实验的效果大打折扣，由于弹簧秤的上下振动，甚至会使学生混淆超重和失重的概念。其实采用上述的实验器材就可以很好地演示超重和失重的现象：一个力学传感器下面挂上钩码，然后用手拉着传感器在竖直方向做加速或减速运动（如图4），从图像上就很容易看出弹簧秤的拉力大于、小于重力的时间，让学生对超重和失重有更好的理解。

4 运用传感器可以扩大实验器材的量程

在讲到法拉第电磁感应定律这一节的时候，学生往往会有这样的想法：既然有地磁场的存在，那么从理论上讲只要在空间翻转一个闭合线圈，线圈内部就会产生感应电流。但是采用传统的灵敏电流计却无法演示这个实验。因为地磁场太弱了，传统的灵敏电流计无法显示这样微小的电流。但是如果使用微电流传感器却可以很轻易的实现这样的实验要求，实验现象装置和实验结果如图5所示。

5 采用传感器做实验可以提高数据采集的正确性、数据处理的便捷性

比如在做验证牛顿第二定律的实验时需要很多工作，如数据采集、计算和描点等。而采用传感器做实验，实验一做好只要点击一下相应的按钮，数据采集和处理就完成了，同时得到了相应的曲线（见图6）。

采用传感器来完成物理实验与采用传统的实验器材来做物理实验相比，在许多方面有着很大的优势。传感器技术应用于物理实验教学是教学手段的革新，是教育技术的进步。如何在物理教学中充分发挥传感器的作用，还值得我们在以后的教学中不断探索，比如使用传感器激发学生兴趣，确立学习动机；在科学探究过程中应用传感器；使用传感器改变教师的实验教学方式，教师演示转变为学生体验；使用传感器改变学生学习方式，把教师讲、学生听的形式转变为学生在教师指导下自主学习等等。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.全日制普通高中物理新课程标准［M］.2003.4

［2］首都师范大学附中物理组.变“不可见”为“可见”——传感器应用于物理教学实验的实践［J］.中国教育报.2006(1).

［3］汤跃明,谢紫娟,张文杰.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).

(栏目编辑张正严)