传感器在高中物理实验教学中的应用

【摘 要】实验教学是高中物理教学中的重要组成部分。物理实验不仅能够让学生对理论知识的掌握和应用更加透彻，同时也能增强学生的动手能力、协调能力。将传感器应用于高中物理实验教学，是信息技术与物理课程融合的体现，也是现代教育的发展趋势，能以更轻松快捷的方式让学生更直观地观察实验过程。本文从传感器在高中物理实验教学中的作用及应用展开分析探讨，以期为广大高中物理教师提供参考。

【关键词】传感器;高中物理;实验教学;应用

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）22-0017-02

新课改背景下，物理学习对物理实验的要求越来越高，强调要让学生真正接触实验，并从中学会知识的应用。因此，信息技术越来越多地被运用到实验教学中，尤其是传感器。传感器能展示教师无法亲自演示的实验，也可以减少实验的误差。同时，传感器的使用能让学生获得更好的实践体验，提升学生的综合素质。

1   传感器概述

随着社会和科学技术的发展，教育事业也在时代浪潮中不断改革和发展，传感器是信息时代的产物，是现代教学体系中的一种教学工具。将其应用在高中物理实验教学中，能够将物理量和化学量转变成电信号的形式，直观形象地在传感器上显示[1]。

如应用传感器开展高中实验教学时，可以捕捉位移、压力、温度或是电压、电流等，并且将其放大，直观展示在传感器仪器上，方便学生观察，有利于物理教师顺利开展教学工作。

2   传感器应用于高中物理实验教学的优势

2.1  使实验过程直观可视

在传统教学模式下的物理学习中，有些实验过程不能够直观地展现出来，教师往往采用口头讲解，或者借助多媒体设备进行动画演示。对学生而言，理解这些实验就要借助理解力与想象力，在脑海中想象实验过程，但这样的教学无法保证学生充分理解相关知识。教师运用传感器开展实验教学，能使实验过程可视化，能让学生直观地看到实验现象，能计算、分析并展示实验数据及整体趋势和变化，这有助于学生理解理论知识与抽象概念[2]。

如在“磁场”这一章的教学中，磁现象与磁场可以通过磁铁粉末的变化展现，但是没有合适的方式展示磁感应强度的大小。这时如果运用传感器，就能够简单便捷地测量磁感应强度，并且显示出每一个位置的具体磁感应强度大小，还能够得到整体分布图像。教师首先需要准备磁感应传感器、计算机以及配套软件，将传感器的测量头深入到预先准备好的通电线圈内部，在线圈内部将传感器的测量头移动到不同位置，就可以通过传感器读取不同地方相应的磁感应强度，并由计算机将不同位置的磁感应强度记录下来形成图像。由此，学生可以从计算机图像中清晰明了地看到通电线圈内部的磁感应强度分布中间部位磁感应强度是最大的，两边逐渐减弱，这样学生就能对磁感应强度有更深入的了解。

2.2  能够抓住瞬态现象，便于学生观察

在目前的高中物理实验教学中，由于班级学生人数较多，教师通常在讲台上演示实验，讲解实验步骤与需要记录的数据。然而在很多物理实验中，虽然实验现象明显，但持续时间很短，转瞬即逝。教师难以定格实验重点现象出现的瞬间，也很难保证全班学生都能够在实验现象出现的瞬间捕捉到它。如果教师一直重复演示实验，追求重现实验现象，以达到更好的讲解效果，就会浪费大量的课堂时间，降低教学效率，无法实现新课改对高效课堂的要求。同时，对于学生而言，一味重复观看教师的实验演示容易降低其对物理学习的兴趣。这时，如果利用传感器与计算机，就能轻松定格实验现象，教师拥有更多讲解时间，学生也拥有更多观察和分析实验现象的时间[3]。

如进行牛顿第三定律相关实验时，首先要让学生掌握作用力与反作用力之间产生、变化以及消失的相互关系。很多教师采用传统的实验方式，用两个弹簧秤彼此挂钩牵连，二者在某一瞬间弹开，通过指针的变化向学生证明和讲解作用力和反作用力的相互性。但是在实际教学中，由于教室较大，学生较多，只有前排的学生能看清小小的仪表盘上指针的变化。加之弹开瞬间指针变化速度极快，学生难以得到正确读数，实验难以取得良好的教学效果。另外，弹簧秤指针的无规律震动可能会让学生对所要学习的作用力与反作用力概念及特征产生混淆，不利于学生理解这部分知识。此时，最好的方法是教师准备力学传感器，将一个传感器固定，再将其与另一个传感器挂钩相连，并沿水平方向反复拉动，连到计算机上的两个传感器都会有读数，然后计算机自动绘制形成力的变化曲线，这样可以让学生直观地从传感器读数和力变化图表中看到作用力和反作用力是相互的一对平衡力，并理解它们大小相等、方向相反等特征，从而快速理解和掌握这部分教学内容。

2.3  放大微观现象，让学生深刻感知现象

在教学“物体的形变”“弹性形变与范性范围”时，学生会对不明显的现象产生疑惑。如用手指按桌面时，桌面并没有产生形变，与所学知识相悖。实际上，这是因为桌子的形变过于微小，用肉眼难以观察到。这时教师可应用传感器，将传感器的探头放在桌子表面，通过探头感测到用手按桌子时桌子表面的微小的波动，再借助传感器放大，显示在计算机上，让学生直观地看到桌子表面的形变。同样，教学电流相关实验时也可采用相同的方法。由于灯泡显示亮度的变化不是特别明显，所以学生可能会以为没有变化，但通过传感器就能够把这一现象放大，从而让学生清晰地观察到现象。

2.4  增加學生自主思考和实践的机会

传感器的使用能够有效增加学生自主思考和实践的机会。在传统的实验教学模式中，学生更多地是用眼睛看教师的实验演示，自己动手实践的机会比较少，没有充足时间让学生自主探索实验的内涵与本质。应用传感器之后，学生进行一轮实验所需要的时间减少，实验效率提高，可以在有限时间内尽可能多地通过改变数据得到不同的实验结果。学生不仅可以对实验本身进行探讨，还可以有更多精力和机会纵向比较不同数据对实验结果的影响，从而在传感器的帮助下对实验产生更大的兴趣与钻研的热情，有利于提升自主思考的能力。

2.5  减少实验误差，提升数据采集的准确率

传统实验过程中，学生往往通过人工读数记录数据，再进行数据处理。人工读数不仅读数慢、效率低下，而且很容易出现误读、漏读现象，难以获得科学、准确的实验结果。而传感器一般与计算机和软件配套使用，在实验过程中，所有数据的采集可以直接通过这一套设备完成。同时，计算机还可以进行数据运算，利用Excel表格直接得到结果，为学生提供初步处理过的数据，直接显示实验图像。传感器及相关设备能简化学生的数据处理过程，为学生节省大量时间，让学生能够有更多的精力用于数据的分析以及探究，验证实验结果与理论知识的匹配程度，增强学生在物理实验中的自主性。此外，计算机相对人工读数与处理而言更加精确，能够有效减少实验误差，提高数据采集的准确率，由此提高实验成功的概率。

3   传感器应用于高中物理实验教学中的注意事项

3.1  学生必须掌握使用方法

在学生使用传感器之前，教师必须让学生掌握传感器、计算机及配套软件的使用方法。虽然计算机与传感器的使用没有化学实验中试剂的使用那么危险，但是出现重大实验错误容易损坏设备，影响实验教学的有效开展。同时，在课堂中出现重大问题也容易扰乱课堂秩序，破坏教学节奏。所以，教师在学生使用传感器进行物理实验前，一定要为学生讲解设备的正确使用方法，并且确保学生准确掌握。教师可以通过小组成员互查、模拟实验流程等方式考查学生，确保学生能够独立、规范、正确地使用传感器进行实验。

3.2  教师时刻关注，及时纠正错误

在学生独立使用传感器进行实验的过程中，教师要時刻关注学生的表现，对出现明显实验错误的学生，教师要及时给予指导，纠正错误，帮助学生顺利完成实验;对完成得比较好的学生，教师可以给予肯定和表扬，并且让其在全班分享自己使用传感器的经验以及技巧。此外，教师还要维持课堂秩序，确保学生只将计算机和传感器等设备应用于实验过程，而不是用于其他方面，避免学生偏离实验学习的重点和方向。

总之，物理是高中阶段学习的重难点，物理实验是物理教学中的重要组成部分。将传感器应用于高中物理实验教学，与传统的实验教学方式相比具有很多优势，这是一种教学手段的进步，也是新课程改革、教学模式创新的必然趋势。教师应当合理应用传感器，提升学生的物理实验技能，培养学生的创新精神和实践能力，从实际实验教学需求出发，选择合适的传感器及配套设备，综合设计实验过程，让传感器更好地发挥作用，达到最佳物理实验教学效果。

【参考文献】

[1]张圣羽.基于Arduino的高中物理传感器实验教学研究[J].实验室科学，2020（2）.

[2]赵春博.数字化传感器在高中物理实验中的应用研究[J].数理化解题研究，2018（3）.

[3]杨光明.传感器在实验中可视化应用的案例分析[J].新教育，2020（4）.

【作者简介】

赵瑞（1978～），女，汉族，安徽宿州人，本科，中学一级教师。研究方向：高中物理教育。