谈谈传感器教学中随堂实验的设计与思考

崔卫国 薛仁芳

(1.南京市金陵中学,江苏 南京 210005;2.江苏教育学院附属高级中学,江苏 南京 210036)

本节课在实施新课程的理念方面进行了较为深入的实践,特别是学生的“随堂实验”活动,在达成课堂教学的感性与理性的交融上得到了同行的一致认可,本人对此感悟的层次也在不断提升中.现就本节课中设计和开发的随堂实验展示如下.

1 将干簧管与开关并联,在对比中初识传感器的一般特点

元件来源:在电子市场中发现有这样的内置干簧管的元件(如图1).由于干簧管密封在不透明的塑料内部,因此在认识它的功能时就具有了一定的神秘感,在教学中将它用于激发疑问,触发学生迫切探究的愿望便能够达成.

实验设计:安排学生进行随堂实验1(设计电路如图2),将开关和干簧管并联,闭合开关,灯亮;断开开关,灯不亮,但将磁铁靠近干簧管,灯又亮了.

图1

图2

这种学生随堂实验的设计目的是借助并联引发的对比达到认识干簧管的“磁开关”作用,从而展示磁传感器的一个特点:能感受磁的信息并转换成电路的通断.教者在强调“感”和“传”的含义的同时展示实物(如图3),让学生及时体会到这个传感器并不神秘,结构竟如此简单.

接下来演示并讨论干簧管的应用——“水位控制开关”.如图 4所示,当水位上升到一定位置时,灯就亮起(图4中左图,竖直管中内置干簧管,浮子中安有磁环).目的是向学生传递一种创新、应用的意识:“干簧管虽小,作用挺大,我们也能将它用在某个地方”.

图3

图4

效果反馈:图2中的实验电路的最初设想是将干簧管与开关串联,在课堂中有不少学生因为连接线的接触不良灯泡不能亮起,学生探究兴趣顿失.改用干簧管与开关并联后,不但线路故障少了,干簧管的磁开关的作用在对比中更得到彰显.

2 设计输出霍尔电压的电路,在对比中关注霍尔传感器的广泛应用

元件来源:在电子市场购得两类霍尔元件,开关型和线性型,两种元件在传感器的应用中都有广泛的使用.从让学生获得实践感受的教学理念出发,教学中很有必要让学生充分了解这两种输出电压的存在.

图5

图6

实验设计:输出线性电压的电路如图5,输出的开关电压的电路如图6,根据相应电路制作成随堂实验电路板(教者自己制作)如图7(左端输入10 V,右端接示波装置),实验电路板中选用的霍尔元件,里面已经集成了放大等功能,外形多为三脚.其中的分压电阻的大小按当时实验室能提供的最大电压为10 V配置,可以保证输入电压在10 V以内两个元件均不易损坏.

在课堂中两位学生为一组,利用这种开关型和线性型霍尔元件的电路(见图8)可以采集输出电压的数据或波形,学生能切实体会到传感器在快速反应、精确测量方面的功能.课堂中,学生既感受到霍尔电压的生成,又在交换测量和观察中得到比较,从而将平时学习的理论与实际的电路图景进行有效结合,给学生提供了一种可以留下深刻回忆或随时提取的信息“源”.

图7

图8

效果反馈:输出电压的数据或波形建议用DIS实验系统的电压传感器采集.当学生改变手中磁棒与霍尔元件的距离或角度时(如图9),学生手中磁棒的控制节奏与输出的电压波形一一对应(如图10),那种感觉是美的,就是所谓的感性与理性的交融吧.随后介绍的转速传感器的应用、电子罗盘的原理等等,学生既有强烈的兴趣,又能很好地借鉴这两种电压输出的波形作出合理恰当的解答.

从上面课堂教学中实施的几个随堂实验可以感受到这节课所期待的教育教学目标已经达成,那就是深化课堂实践的理念,力求感性与理性的交融.

图9

图10