对“传感器类科学玩具”课程化的研究——科学玩具物理教育功能开发和研究系列八

王丹凤

(义乌中学 浙江义乌 322000)

随着新款玩具的不断开发和设计,市场上越来越多地出现了高新科技类玩具产品,比如声控恐龙、光控娃娃、遥控飞机、机器人等,不仅能给使用者带来乐趣,更有助于激发求知欲望,开发儿童智力.

声控恐龙形态逼真、反应灵敏、表情丰富,还具有逼真的声音和多姿的动作,通过指令可以踱步前进,头部可以大幅度上下左右摆动、张开大口发出咆哮、嚎叫,会介绍自己的身世、习性等.它融知识性、趣味性、教育性于一体,使玩者爱不释手.这样孩子们在玩耍的同时,开发智力、增加见识、学到知识.

电子鸟羽毛鲜艳、形态逼真,放置在形状各异的盒子里,打开盒盖时,它就会“啾啾”地叫个不停,声音婉转,非常可爱;当合上盒盖或者晚间,鸟儿就安心地“睡眠”了.晨鸣电子鸟与此类似,可以将它放置在窗台上,在晚上临睡前合上电源开关,第二天清晨,鸟鸣器便会自动发出鸟叫声,直到主人起床后断开电源为止.

这类玩具很好地利用了各式各样的传感器,达到电路自动控制的目的,大致有光控、声控、磁控、振动控制、红外线控制等.这为中学物理教学提供了丰富的教育资源,可在提高学生的科学素养和技术素养上起到积极作用.

1 玩具走进课堂,渗透STS教育

19世纪英国著名的教育家斯宾塞说:“教学是为了完美的生活.”陶行知说:“生活即教学”.《课程标准》将“传感器”列为《选修3-2》模块的二级主题,也正集中体现了对科学、技术和社会相互关系的关注.正是有了传感器,现代信息技术才能实现电路的自动化控制.“传感器”这个主题富有浓厚的时代气息,在教学中更应不失时机地加以渗透.在“传感器及其工作原理”的教学过程中,笔者课前先把一个光控玩具(图1)挂在门口.当有人走进来时,它会很热情地说“欢迎光临”.虽然以前在一些商店门口经常见到,但突然出现在课堂上,还是引起了同学们强烈的好奇与关注.紧接着,又拿出玩具猫头鹰放在讲台上,用电筒光去照射它时,它吓得跑开了,跑了半圈后又自动停下来;等再把光照到它脸上,它又会跑半圈,很好地模拟了猫头鹰怕见阳光通常在夜间活动的特性.同学们似乎马上就领悟了其中的奥妙:光在起着控制作用.

图1

然后我拿出婴幼儿特别喜爱的仿真娃娃,拍打它或者拍打桌面,它就开始挥舞着小手和大家说话;如果猛烈地把它摔倒,它会哭着喊救命,一下子让课堂气氛高涨到了极点.体会了玩的乐趣后,学生陆续开始提出这样一个核心问题:谁在指挥着它?通过大家的讨论慢慢把矛头转向了内部藏有的震动感应器.通过这些实物来理解“传感器”概念,初步了解传感器的基本功能.

紧接着,带领同学们探究两个问题.

(2)光传感器在生活中还能有哪些应用?

为了能让学生更好地理解电路原理,我们提供给每组学生光敏二极管和发光二极管各一只、干电池二节、导线、开关等.先让学生认识光敏电阻,然后如图2所示连接电路.当闭合开关时就能看见二极管发光;当用手或者黑布遮盖光敏电阻时,发光二极管变暗.有几组同学还在线路中串联上生日贺卡的音乐片,玩得很有趣.学生通过动手制作简单的光控电路来深入了解光敏电阻的特性.

图2

对于光传感器的应用,同学除了说到晨鸣鸟和怕光猫头鹰等玩具外,还说到了光控大门,电路结构如图3所示.把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方,把带动大门的电动机接在干簧管的电路中.夜间汽车开到大门前,灯光照射光敏电阻时,电路导通,使干簧继电器接通电动机电路,电动机带动大门打开.由此将该原理推广,将电动机装在玩具猫头鹰中,就做成会走动的怕光猫头鹰.将电动机换成蜂鸣器,就做成一个晨鸣电子鸟了.让学生举一反三.说明工作原理后,我再拿出实物电路进行演示,不仅了解了光传感器,知道了电路的结构及原理,还了解了干簧管作为磁控装置的作用.

图3

图4

同学又列举了生活中火灾报警器,此时我不失时机地提出了火灾报警器的两种典型类型:温度火灾报警器和烟雾火灾报警器.图4是烟雾散射式火灾报警器,带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.正常时,光电三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态.当火灾发生时,烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照射到光电三极管上,使其电阻变小,与传感器连接的电路检测出这种变化,就会发出警报;而温度火灾报警器采用的是热敏电阻Rt(图5).低温时电阻值很大;高温时电阻值急剧减小,由此来控制电路,结合简单的门电路就能起到报警作用.与此同时,同学们又争先恐后地举了很多温度传感器的应用实例,很好地了解了温度传感器在电子电器中的广泛应用.

图5

霍尔元件对学生而言颇为生疏,而实际上在电子电路中经常能见到;例如在一些智能玩具、电动自行车的调速手柄、汽车上测量发动机转速等都能找到.在课堂中我们从智能电子恐龙玩具上拆卸下霍尔元件用于“霍尔效应”的教学.如图6所示,将条形磁铁S极一端靠近元件时,能看到电压表向右偏转,而且小电动机顺时针转动;当换成N极一端靠近时,电压表反偏电动机反转.根据实验现象来分析霍尔元件作为磁传感器的原理,加深对霍尔效应的理解.

图6

运用力、电压、电流、温度、声音、光强等各种传感器,我们建立了数字化信息系统实验室,克服了传统物理实验仪器的诸多弊端,促进了信息技术与物理教学的全面整合.

2 理论联系实际,提高分析和应用能力

物理的课堂教学一直坚持理论联系实际,我们有意识地加强物理知识在日常生活中的应用,鼓励学生应用所学知识解决实际问题,培养学生的实际应用能力.在传感器的教学中,我们围绕不同类型传感器作为“自动控制开关”展开讨论与分析.

透析患者体内存在微炎症状态。在血透患者合并sTWEAK减低患者，其CRP、IL-6等炎症因子升高，sTWEAK水平下降组其CRP、FIB等炎症因子水平明显升高，sTWEAK与CRP等炎症因子呈负相关，提示sTWEAK参与了透析患者微炎症状态的过程。

图7

有一种“馋嘴猫”,当用食物诱饵靠近它时,猫会张大嘴巴,两眼发光.究其原因,不难发现,电路中利用了一个干簧管对猫身的动作和灯光起着控制作用(图7),当磁体靠近它时,两个簧片被磁化而接通,电路中的灯光和机械装置开始动作.与此功能类似的霍尔元件在一些玩具和翻盖手机中也发挥着开关的作用,而且还能测量电流、电压、磁感应强度、速度、电量等.

为了更好地掌握霍尔元件的原理和作用,我们设计了下面的习题.

霍尔元件示意图如图8,用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,对一个霍尔元件d、k为定值.从两个极E、F接出两条导线,与限流电阻及电流计串联后接到干电池上,调整电阻使通入的电流约10mA,将另一对电极M、N接到多用电表的200mV直流电压挡上,请分析:

图8

(1)将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面会看到霍尔电压UH怎样变化?用另一个磁极去靠近呢?

(2)改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,霍尔电压怎样变化?试解释发生的现象;

(3)电流方向从E到F,分析M、N哪板电势高?

通过对习题的分析讨论,再结合图6实验装置的演示,很好地突破了本教学中的难点.

电子鸟一类的玩具都用到了光控开关,以此可以很好地提高学生分析电路的能力.设计习题如下.

光控玩具中大部分使用了光敏电阻,两个光控开关电路如图9所示.

(1)请分析电路原理;

(2)要想提高光控灵敏度,如何调节R1?

图9

通过查询资料和讨论学习等方式来了解玩具中的控制原理.分析了几个题目后,大家还意犹未尽,在课后又自主开展了系列研究性学习活动.

3 开展调查研究,丰富研习课程

应倡导寓学于乐的教育理念,让学生在课外通过自己的独立思考和团队合作培养研究的兴趣,提高研究的能力.

同学们起初认为传感器作为高新科技产品高不可攀,但通过一些光控声控玩具的接触和课堂的学习初步了解了传感器的实质,即将非电学量转换成电学量的一种元件.他们在研究性学习中便提出了“传感器在玩具中的应用”课题,针对性地做了调查研究,消除了原来对传感器的陌生感.通过市场调查,听取商家介绍,查看电路结构等方式,了解到电子控制类玩具的基本类型,还对各种玩具的受欢迎程度和市场前景做了详细的调查.

在此基础上又提出了“传感器在家用电器上的应用”课题,同学们通过自己的观察、翻看说明书和同学的讨论,作出了详细的调查报告,如表1所示.

大家发现温控装置在电器中运用的最为广泛;有的电器采用了多种传感器,集多种自动控制功能于一体.同学们还有列举了几种典型实例加以说明.电熨斗内部装有双金属片温度传感器,控制电路的通断;声控娃娃玩具通过压电陶瓷将振动信号转换成电信号,再带动了电动机转动和扬声器发声;光电靶是用光电枪中的光电管将光信号转换成电信号输出等等.

表1

另有一组同学紧紧抓住光控传感器这一主题,调查了光控玩具的类型、电路原理和使用方法等,又延伸到了生活中其他一些光控电路,比如,电子防炫目汽车后视镜(图10),镜上的光传感器把光信号传送给微机,经过信号处理,控制电路会使镜面变色,以吸收强光,削减强光的反射;同时还调查了驾驶员对这一功能的反馈意见.

图10

我们鼓励学生进行研究性学习.通过第二课堂和开放实验室延伸学生的学习时间,加深对重点、难点的理解和创造性消化吸收.学生利用光敏二极管自制了光控断电插座,电路图如图11所示.按下按钮,继电器J1工作使S1开关闭合,灯泡发光.光敏二极管不受强光照射时,555时基电路的输出端为低电平,继电器J2的线圈无电流不吸合.当光敏二极管受到强光照射时,电路立即反转,J2的线圈通电吸合※J2的常闭触点断开 ※灯泡熄灭、J1继电器线圈断电 ※J1继电器常开触点断开 ※555时基电路断电.此时只有重新按下按钮才能继续亮灯.该电路采用玩具激光笔控制光照,操作简单易行,提高学生创新能力的同时,也提高了技术素养.

图11

我们倡导物理教学与我国玩具市场流行产品紧密结合,通过提供大量的经典玩具手册、经典玩具产品,提高学生的感性认识,激发学生学习兴趣和设计灵感,鼓励学生参加社团组织活动;通过教师指导,培养和提高学生研究问题和解决问题的能力.