数字化传感器在高中物理实验中的应用研究

赵春博

(宁波惠贞书院 315000)

数字化实验(简称DIS)就是用传感器获取信息，经数据采集器由计算机进行数据和图形处理的教学技术平台.它为人类提供了一种探索世界的新工具.由于数字化实验的教育功能和理念很好地反映了新课程改革的理念，2002年起，数字化实验相继被编入普通高中物理的各版教材.2006年，浙江省进入新课程改革，使用的人教社出版的物理教材也编入了一批数字化实验.运用数字化传感器进行物理实验，可直观地显示出了实验的结果，完美地展现了物理研究的整个过程，它必将为高中物理课堂教学的变革创造出奇迹.但是在高中阶段，老师对数字化传感器的利用率并不高，觉得还不如自己讲课来的效率高.本文就在此背景下提出三种利用数字化传感器的课型.

一、应用数字化传感器进行实验的尝试

为了更好地发挥DIS的教学教育功能，充分挖掘DIS在物理实验教学中的优势，教师利用DIS实验设计了探究型、情境型和设计型三类课型，并分对照班实施教学.在教学过程中，教师详细记录教学过程，对学生的实验教学效果、自主探究意识、科学求真精神、自我信息素养进行评价.根据评价的结果，教师不断地调整教学方法和策略，逐步完善物理实验教学过程.

1.探究型DIS实验课

探究型DIS实验课是指利用DIS传感器对物理量进行监测，并通过DIS软件包进行数据分析，寻找物理现象背后的内在规律.绝大多数的DIS实验课都是探究型实验课，DIS的最大优势就在于它的探究功能.

该课型主要目的是再现物理研究的过程，培养学生自主探究意识，实事求是的研究精神，提高学生的自我信息素养.该课型的教学过程如下所示：

(1)确定问题情景.

(2)分析因果，提出假设.

(3)利用DIS设计方案，验证假设.

(4)分析数据，得出结果.

案例1 在进行玻意耳马略特气体定律的教学中，教师利用DIS压强传感器探究一定质量的气体，在温度不变的情况下，气体的压强随体积的变化关系.具体的教学过程如下.

问题情境：乒乓球凹进去了怎么办？(将乒乓球放入开水中)夏天给自行车轮胎打气应注意什么？(不要打得太足)

分析因果：球内空气温度上升，压强变大，体积变大，所以乒乓球恢复原状.

自行车胎内空气温度上升，压强变大，体积变大，所以打气太足要曝胎.

提出假设：一定质量的气体的温度、压强、体积三参量之间存在一定的定量关系.

设计实验：由于一定质量的气体存在三个状态参量，所以在设计方案时采用控制变量思想.先控制气体的温度不变，研究气体的压强随体积的变化.用标注体积刻度的注射器读出封闭气体的体积，用压强传感器测量不同体积下气体的压强，研究气体的压强随体积的变化关系.DIS的连接装置如图1所示.

实验结论：一定质量的气体，在温度不变的情况下，气体的压强和体积成反比关系.

2.情境型DIS实验课

情境型DIS实验课是指利用DIS创设形象生动的物理情境，激发学生的学习热情，引发学生进行理性思考的课堂教学类型.

该课型主要目的是通过改变学习内容的呈现方式，培养学生有意识的观察物理现象习惯，培养学生的观察、分析能力，激发学生学习的热情.该课型的教学一般在新课引入或某个新知识点引入前使用.在教学中，教师只需直接进行演示让学生观察实验产生的现象，引发学生的思考，从而引入新课或新的知识.

案例2 在进行“磁生电” 的教学中，教师利用DIS微电流传感器创设了在地磁场中摇“绳”发电的实验，改变了学习内容的呈现方式.具体的教学过程如下.

两个同学迅速摇动一条一米长的电线，能发电吗？将一条一米长的导线与微电流传感器连接成回路进行实验.请两位同学在东西方向上摇电线，结果电路中产生了感应电流.若在南北方向上摇电线，结果电路中产生的感应电流变小.电线的电流是如何产生的呢？

3.设计型DIS实验课

设计型DIS实验课是指利用DIS的传感器寻找到的物理规律设计新的实验仪器、实验电路等，并利用DIS对实验仪器进行测试、评估、校准的课堂教学类型.该课型主要目的是展示物理仪器、实验电路等的设计过程，培养学生自主探究的意识，自主设计实验装备的能力.

该课型的教学过程是：

(1)提出设计问题.

(2)设计分析.

(3)提出设计方案.

(4)制作模型或原型.

(5)测试评估和校准.

案例3 在进行传感器的教学中，教师利用DIS的温度传感器得到了热敏电阻阻值随温度变化的关系之后，请学生根据这一规律用热敏电阻设计一个数字温度计，并画出该数字温度计的设计电路图.在设计完成之后，用DIS的温度传感器作为标准温度对数字温度计进行校准.具体教学过程如下.

提出设计问题：利用热敏电阻，结合DIS平台，设计一个数字式温度计.

设计分析：首先，确定热敏电阻阻值与温度的函数关系.如果能精确地测定热敏电阻阻值与温度的关系，那么只要知道电阻便可知道温度.其次，确定测定电阻的方法.由于常温下热敏电阻较大，高温下电阻很小，电阻随温度时刻变化，测量电阻无法用伏安法进行.那么如何测量热敏电阻的阻值呢？

制作模型：搭建实验电路，连接DIS平台并实施设计方案.

测试评估校准：将DIS温度传感器作为标准温度计，对设计好的数字温度计进行测试，进行测量误差分析，考查产生误差的原因，并进行校准.

参考文献：

[1]魏慧军.基于DIS的上海二期课改高中物理实验教学现状调查及分析[D]. 上海：上海师范大学，2006(4).