傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

【摘 要】實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)中的重要組成部分。物理實(shí)驗(yàn)不僅能夠讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用更加透徹，同時(shí)也能增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)調(diào)能力。將傳感器應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是信息技術(shù)與物理課程融合的體現(xiàn)，也是現(xiàn)代教育的發(fā)展趨勢(shì)，能以更輕松快捷的方式讓學(xué)生更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程。本文從傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用及應(yīng)用展開(kāi)分析探討，以期為廣大高中物理教師提供參考。

【關(guān)鍵詞】傳感器;高中物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2021）22-0017-02

新課改背景下，物理學(xué)習(xí)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的要求越來(lái)越高，強(qiáng)調(diào)要讓學(xué)生真正接觸實(shí)驗(yàn)，并從中學(xué)會(huì)知識(shí)的應(yīng)用。因此，信息技術(shù)越來(lái)越多地被運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，尤其是傳感器。傳感器能展示教師無(wú)法親自演示的實(shí)驗(yàn)，也可以減少實(shí)驗(yàn)的誤差。同時(shí)，傳感器的使用能讓學(xué)生獲得更好的實(shí)踐體驗(yàn)，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1? ?傳感器概述

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，教育事業(yè)也在時(shí)代浪潮中不斷改革和發(fā)展，傳感器是信息時(shí)代的產(chǎn)物，是現(xiàn)代教學(xué)體系中的一種教學(xué)工具。將其應(yīng)用在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠?qū)⑽锢砹亢突瘜W(xué)量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的形式，直觀形象地在傳感器上顯示[1]。

如應(yīng)用傳感器開(kāi)展高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可以捕捉位移、壓力、溫度或是電壓、電流等，并且將其放大，直觀展示在傳感器儀器上，方便學(xué)生觀察，有利于物理教師順利開(kāi)展教學(xué)工作。

2? ?傳感器應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

2.1? 使實(shí)驗(yàn)過(guò)程直觀可視

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下的物理學(xué)習(xí)中，有些實(shí)驗(yàn)過(guò)程不能夠直觀地展現(xiàn)出來(lái)，教師往往采用口頭講解，或者借助多媒體設(shè)備進(jìn)行動(dòng)畫演示。對(duì)學(xué)生而言，理解這些實(shí)驗(yàn)就要借助理解力與想象力，在腦海中想象實(shí)驗(yàn)過(guò)程，但這樣的教學(xué)無(wú)法保證學(xué)生充分理解相關(guān)知識(shí)。教師運(yùn)用傳感器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能使實(shí)驗(yàn)過(guò)程可視化，能讓學(xué)生直觀地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能計(jì)算、分析并展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及整體趨勢(shì)和變化，這有助于學(xué)生理解理論知識(shí)與抽象概念[2]。

如在“磁場(chǎng)”這一章的教學(xué)中，磁現(xiàn)象與磁場(chǎng)可以通過(guò)磁鐵粉末的變化展現(xiàn)，但是沒(méi)有合適的方式展示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這時(shí)如果運(yùn)用傳感器，就能夠簡(jiǎn)單便捷地測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，并且顯示出每一個(gè)位置的具體磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，還能夠得到整體分布圖像。教師首先需要準(zhǔn)備磁感應(yīng)傳感器、計(jì)算機(jī)以及配套軟件，將傳感器的測(cè)量頭深入到預(yù)先準(zhǔn)備好的通電線圈內(nèi)部，在線圈內(nèi)部將傳感器的測(cè)量頭移動(dòng)到不同位置，就可以通過(guò)傳感器讀取不同地方相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并由計(jì)算機(jī)將不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度記錄下來(lái)形成圖像。由此，學(xué)生可以從計(jì)算機(jī)圖像中清晰明了地看到通電線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布中間部位磁感應(yīng)強(qiáng)度是最大的，兩邊逐漸減弱，這樣學(xué)生就能對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度有更深入的了解。

2.2? 能夠抓住瞬態(tài)現(xiàn)象，便于學(xué)生觀察

在目前的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于班級(jí)學(xué)生人數(shù)較多，教師通常在講臺(tái)上演示實(shí)驗(yàn)，講解實(shí)驗(yàn)步驟與需要記錄的數(shù)據(jù)。然而在很多物理實(shí)驗(yàn)中，雖然實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但持續(xù)時(shí)間很短，轉(zhuǎn)瞬即逝。教師難以定格實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)的瞬間，也很難保證全班學(xué)生都能夠在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)的瞬間捕捉到它。如果教師一直重復(fù)演示實(shí)驗(yàn)，追求重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以達(dá)到更好的講解效果，就會(huì)浪費(fèi)大量的課堂時(shí)間，降低教學(xué)效率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)新課改對(duì)高效課堂的要求。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生而言，一味重復(fù)觀看教師的實(shí)驗(yàn)演示容易降低其對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。這時(shí)，如果利用傳感器與計(jì)算機(jī)，就能輕松定格實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師擁有更多講解時(shí)間，學(xué)生也擁有更多觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時(shí)間[3]。

如進(jìn)行牛頓第三定律相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要讓學(xué)生掌握作用力與反作用力之間產(chǎn)生、變化以及消失的相互關(guān)系。很多教師采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，用兩個(gè)彈簧秤彼此掛鉤牽連，二者在某一瞬間彈開(kāi)，通過(guò)指針的變化向?qū)W生證明和講解作用力和反作用力的相互性。但是在實(shí)際教學(xué)中，由于教室較大，學(xué)生較多，只有前排的學(xué)生能看清小小的儀表盤上指針的變化。加之彈開(kāi)瞬間指針變化速度極快，學(xué)生難以得到正確讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)難以取得良好的教學(xué)效果。另外，彈簧秤指針的無(wú)規(guī)律震動(dòng)可能會(huì)讓學(xué)生對(duì)所要學(xué)習(xí)的作用力與反作用力概念及特征產(chǎn)生混淆，不利于學(xué)生理解這部分知識(shí)。此時(shí)，最好的方法是教師準(zhǔn)備力學(xué)傳感器，將一個(gè)傳感器固定，再將其與另一個(gè)傳感器掛鉤相連，并沿水平方向反復(fù)拉動(dòng)，連到計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)傳感器都會(huì)有讀數(shù)，然后計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制形成力的變化曲線，這樣可以讓學(xué)生直觀地從傳感器讀數(shù)和力變化圖表中看到作用力和反作用力是相互的一對(duì)平衡力，并理解它們大小相等、方向相反等特征，從而快速理解和掌握這部分教學(xué)內(nèi)容。

2.3? 放大微觀現(xiàn)象，讓學(xué)生深刻感知現(xiàn)象

在教學(xué)“物體的形變”“彈性形變與范性范圍”時(shí)，學(xué)生會(huì)對(duì)不明顯的現(xiàn)象產(chǎn)生疑惑。如用手指按桌面時(shí)，桌面并沒(méi)有產(chǎn)生形變，與所學(xué)知識(shí)相悖。實(shí)際上，這是因?yàn)樽雷拥男巫冞^(guò)于微小，用肉眼難以觀察到。這時(shí)教師可應(yīng)用傳感器，將傳感器的探頭放在桌子表面，通過(guò)探頭感測(cè)到用手按桌子時(shí)桌子表面的微小的波動(dòng)，再借助傳感器放大，顯示在計(jì)算機(jī)上，讓學(xué)生直觀地看到桌子表面的形變。同樣，教學(xué)電流相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)也可采用相同的方法。由于燈泡顯示亮度的變化不是特別明顯，所以學(xué)生可能會(huì)以為沒(méi)有變化，但通過(guò)傳感器就能夠把這一現(xiàn)象放大，從而讓學(xué)生清晰地觀察到現(xiàn)象。

2.4? 增加學(xué)生自主思考和實(shí)踐的機(jī)會(huì)

傳感器的使用能夠有效增加學(xué)生自主思考和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，學(xué)生更多地是用眼睛看教師的實(shí)驗(yàn)演示，自己動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)比較少，沒(méi)有充足時(shí)間讓學(xué)生自主探索實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵與本質(zhì)。應(yīng)用傳感器之后，學(xué)生進(jìn)行一輪實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間減少，實(shí)驗(yàn)效率提高，可以在有限時(shí)間內(nèi)盡可能多地通過(guò)改變數(shù)據(jù)得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生不僅可以對(duì)實(shí)驗(yàn)本身進(jìn)行探討，還可以有更多精力和機(jī)會(huì)縱向比較不同數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，從而在傳感器的幫助下對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生更大的興趣與鉆研的熱情，有利于提升自主思考的能力。

2.5? 減少實(shí)驗(yàn)誤差，提升數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生往往通過(guò)人工讀數(shù)記錄數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。人工讀數(shù)不僅讀數(shù)慢、效率低下，而且很容易出現(xiàn)誤讀、漏讀現(xiàn)象，難以獲得科學(xué)、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而傳感器一般與計(jì)算機(jī)和軟件配套使用，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)的采集可以直接通過(guò)這一套設(shè)備完成。同時(shí)，計(jì)算機(jī)還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，利用Excel表格直接得到結(jié)果，為學(xué)生提供初步處理過(guò)的數(shù)據(jù)，直接顯示實(shí)驗(yàn)圖像。傳感器及相關(guān)設(shè)備能簡(jiǎn)化學(xué)生的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，為學(xué)生節(jié)省大量時(shí)間，讓學(xué)生能夠有更多的精力用于數(shù)據(jù)的分析以及探究，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論知識(shí)的匹配程度，增強(qiáng)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中的自主性。此外，計(jì)算機(jī)相對(duì)人工讀數(shù)與處理而言更加精確，能夠有效減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率，由此提高實(shí)驗(yàn)成功的概率。

3? ?傳感器應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的注意事項(xiàng)

3.1? 學(xué)生必須掌握使用方法

在學(xué)生使用傳感器之前，教師必須讓學(xué)生掌握傳感器、計(jì)算機(jī)及配套軟件的使用方法。雖然計(jì)算機(jī)與傳感器的使用沒(méi)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)中試劑的使用那么危險(xiǎn)，但是出現(xiàn)重大實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤容易損壞設(shè)備，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開(kāi)展。同時(shí)，在課堂中出現(xiàn)重大問(wèn)題也容易擾亂課堂秩序，破壞教學(xué)節(jié)奏。所以，教師在學(xué)生使用傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)前，一定要為學(xué)生講解設(shè)備的正確使用方法，并且確保學(xué)生準(zhǔn)確掌握。教師可以通過(guò)小組成員互查、模擬實(shí)驗(yàn)流程等方式考查學(xué)生，確保學(xué)生能夠獨(dú)立、規(guī)范、正確地使用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2? 教師時(shí)刻關(guān)注，及時(shí)糾正錯(cuò)誤

在學(xué)生獨(dú)立使用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的表現(xiàn)，對(duì)出現(xiàn)明顯實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤的學(xué)生，教師要及時(shí)給予指導(dǎo)，糾正錯(cuò)誤，幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn);對(duì)完成得比較好的學(xué)生，教師可以給予肯定和表?yè)P(yáng)，并且讓其在全班分享自己使用傳感器的經(jīng)驗(yàn)以及技巧。此外，教師還要維持課堂秩序，確保學(xué)生只將計(jì)算機(jī)和傳感器等設(shè)備應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而不是用于其他方面，避免學(xué)生偏離實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和方向。

總之，物理是高中階段學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)，物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中的重要組成部分。將傳感器應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相比具有很多優(yōu)勢(shì)，這是一種教學(xué)手段的進(jìn)步，也是新課程改革、教學(xué)模式創(chuàng)新的必然趨勢(shì)。教師應(yīng)當(dāng)合理應(yīng)用傳感器，提升學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，從實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求出發(fā)，選擇合適的傳感器及配套設(shè)備，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓傳感器更好地發(fā)揮作用，達(dá)到最佳物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張圣羽.基于Arduino的高中物理傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2020（2）.

[2]趙春博.數(shù)字化傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].數(shù)理化解題研究，2018（3）.

[3]楊光明.傳感器在實(shí)驗(yàn)中可視化應(yīng)用的案例分析[J].新教育，2020（4）.

【作者簡(jiǎn)介】

趙瑞（1978～），女，漢族，安徽宿州人，本科，中學(xué)一級(jí)教師。研究方向：高中物理教育。