传感器在物理教学中的初试

80年代以来，国际上出现了“传感器热”，日本把传感器技术列为80年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代的关键技术，我国把传感器技术列为“八五”、“九五”的重点发展项目.由此可见，传感器在当今科技发展中所处的重要地位.而传感器、计算机等信息技术设备本身都是物理学发展和进步的成果，将其应用到物理教学当中，本身就是开阔视野、与时俱进的举措；同时也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供了素材.工具的发展是脑的扩展、手的延伸，是人类文明进步的阶梯.这一点已取得大部分理化生教师和实验员的认同.为此2003年3月国家教育部颁布的《全日制高级中学物理课程标准》紧扣时代脉搏，将传感器的教学纳入其中，并在新课程教材中也大量设置了应用传感器的应用，如《必修1》中第一章第4节用打点计时器测速度提到“借助传感器用计算机测速度”；第四章第5节《牛顿第三定律》中提到“用传感器探究作用力与反作用力的关系”等，而且在选修模块中专门设置了传感器一章，反映了教育主管部门希望数字化实验室在全国能够广泛开展.

由于对传感器这一新器材性能不熟、如何与原经典实验的进行合理对接拓展其功能缺少经验，传感器到底能否在中学物理学科及相关研究性学习中起到作用，带着这些问题我校成立了《传感器在物理实验中的作用》课题组，所用器材为GQY公司生产的数字实验系统，本人承担了传感器在物理必修部分的探索和研究，希望通过我们大量的实验测试和总结，对传感器在物理教学中能发挥怎样的作用有一个客观的意见，使教学仪器的现代化向前迈进.

1什么是传感器

提起传感器，很多人都会说没见过，很陌生.其实不然，在我们现实的生活中，处处可以见到传感器的影子：我们大家生活中常用的电视遥控接收器、电冰箱、楼道中的声控电灯光控电灯、电饭锅、电话机；工业生产用的红外探测仪、汽车中的ABS、ESP系统、自动报警器、恒温烘箱、光电计数器等都用到了传感器.

传感器实质是一个能将所感受到的物理量（如力热、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的元件.根据其使用的元件不同，传感器可分为电阻式传感器、电容式传感器、光电式传感器、电感式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外线式传感器、光纤式传感器、超声波式传感器、激光式传感器等.但不论哪种传感器，其工作原理都大致相同.传感器进入中学物理实验室，成为信息技术与物理课程整合、教育手段现代化的一个新的突破口.从过去传统实验中测力用弹簧秤，位移用直尺，计时用秒表或打点计时器的单一器材向多元化、高精度发展，并且填补了过去实验中无法测量的磁感强度，光强度等物理量的空白.所以传感器的学习对于学生科学素质的培养，甚至对以后的生活、工作都大有好处.

2传感器在物理教学中的优点

2.1应用于演示实验

2.1.1高频采样和直观描图使抽象过程、概念具体化

学生知识的形成和掌握过程是通过认识的主体（学生）与被认识的客体之间的一系列相互作用而实现的.而演示实验正是一种生动的直观的导入.物理作为一门以实验为基础的科学，一切概念、规律都是建立在实验的基础之上的，而有些实验在中学课堂教学中是无法精确演示的，给学生一种“好像是这样，大概正确”的观点，这样极不利于培养严谨的科学态度.借助数字信息系统实验提供的先进技术手段则突破了传统实验手段的限制，大幅度改进原来做不出、做不好的实验.

例如将传感器应用于牛顿第三定律的研究.

传统的实验是用两个弹簧测力计对拉，改变拉力大小，可以发现两弹簧测力计示数基本相同，可信度不高，而且很难判断两弹簧测力计示数在拉力变化过程中的关系.而用两个力传感器采用高频采样和直观描图的方法，每秒钟数据采集可以达到10次甚至1000次，而且可以直接用图形的形式描绘出来，可以清晰地观察到作用力与反作用力的关系，从而得出牛顿第三定律，这是传统实验无法做到的.具体操作如下：

（1） 将两个力传感器与数据采集器与计算机连接，进入GQY数字化实验平台软件的专用软件《探究力的相互作用》界面.

（2）研究静止状态下两个传感器相互的拉力.方法是：将两个传感器对接，让两位力气大小不同的学生各持一个传感器互相拉，并且使拉力在一条直线上，两个传感器都保持静止.可看到界面上数字窗口中显示出两个相互作用力各自的数值，它们的大小相等，并且一正一负，表示方向相反.让其中一个人改变拉力的大小或者两个人同时改变，都可在图像窗口上显示出作用力和反作用力都是同时改变的，并且总是大小相等、方向相反的（图1）.

（3）研究静止状态下两个传感器相互的压力，将两个传感器的挂钩更换为圆形小盘，实验方法同上.

（4） 研究运动状态下两个物体间的作用力，将两个传感器分别做匀速，加速，减速运动，得到两作用力总是大小相同，方向相反.

2.1.2高频采样使观察短时间物理量变化成为可能

物理实验教学成功的关键在于让学生“看到现象，看清现象”.应用传感器可以把很短的时间内清楚地记录下物理量随时间变化的图象，从而进行具体的分析.例如将传感器应用于超重失重的研究.

传统的实验有（1）教师手持下端挂钩码的弹簧秤，使弹簧秤和钩码一起在竖直方向做变速运动，在运动过程中观察弹簧秤示数的变化，还可让学生站在体重计上，在下蹲、起立的过程中观察体重计示数的变化.（2）通过视频观察人站在上下运动电梯中的体重计上的示数变化，或者手持下端挂钩码的弹簧秤，观察在电梯上升、下降过程中弹簧秤的变化.但是在课堂中演示超重失重所经历的时间很短暂，学生很难仔细观察弹簧秤示数变化情况，更谈不上记录下数据.

在传感器实验操作中可让学生在实验中手持吊有砝码的力传感器在垂直方向运动，先突然加速上升，接着减速停止，过段时间后再先突然加速下降，接着减速停止.则界面上会显示出图2所示的图线.其中水平的图线表示正常的重力，高于水平部分的图线表示超重，而低于水平部分的图线则表示失重.即可获得清晰的“力-时间”图线，从图中可以直观的分析超重、失重现象.

2.2数据处理系统提高课堂探究效率

建构主义学习理论认为：知识不是通过教师传授获得的，是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助于其他人的帮助，利用必要的学习资源，通过意义建构的方式获得的.而探究式教学正是以探索、研究物理规律为出发点，以学生实验活动为中心，以学生的探究能力的培养为根本的一种教学方法.在信息技术的支持下，探究式教学模式可以发挥更大的作用.学生不在是知识的被灌输者，而是知识的发现者和探索者，通过实验再现科学发现的过程，从而学生体验到“猜想-验证-归纳”的科学探究过程，初步掌握科学研究的方法 .

然而现在的探究课堂存在一个很大的问题，就是因为有大量的数据要处理使得课堂效率低下，进而无法完成教学任务.采用数字实验系统后，大量数据处理由计算机完成，大大提高探究的效率.实践证明经过一二次实验后，学生还是比较相信传感器所采集数据的真实性.

在实际教学过程中，学生在教师的引导下，充分利用实验创设的真实情景，主动地进行探索、学习；通过处理实验的一系列数据，“发现”新规律，“定义”新的物理量，让学生在研究和归纳的过程中感性地理解物理变化及其规律.学生在实验中探究、在探究中反思的过程中，体验科学发现的过程和科学研究的过程，逐渐掌握物理方法，形成科学创新的意识，并初步形成科学创新和科学发现的能力.

2.3应用在研究性学习

激发学生兴趣，确立学习动机.例如学生在滑动摩擦因数与那些因数有关问题上一直含糊不清，总认为摩擦因数与正压力成正比，甚至认为与物体重力有关.对此，教师可以让学生成立一个学习兴趣小组，对这个问题开展研究，具体步骤可参考如下：

（1）组织学生通过网络、书籍等途径了解摩擦因数，并提出猜想与假设

（2）学生利用比较熟悉的传统实验器材制定计划与设计实验，如图4并进行实验与收集证据，得出一般性的结论

（3）了解传感器的分类、原理、应用等知识，相互交流中形成对传感器的初步认识，熟悉相关传感器的软、硬件操作

（4）利用传感器设计并进行实验，经过分析论证最后得到研究论文

（5）组织学生相互交流，教师点评课题，将学生的优秀课题研究成果在学校展出.

传感器实验具体操作如下：装置所示如图5.

固定传感器和滑块，缓慢地逐渐增大拉力拉木板，直至木板开始向右运动，然后控制拉力的大小，使木板保持匀速运动一段距离.在这个过程中，数字显示窗口实时地显示出力的数值及其变化，同时图形窗口中显示出力随时间变化的图线，如图6所示.

图线上升的一段表示物体开始运动前，静摩擦力随着拉力的增大而增大；其后水平的一段，则反映了运动过程中滑动摩擦力的大小，而且可以看到滑动摩擦力是小于最大静摩擦力的.在木块上加砝码，增加木块与木板间的正压力，再做以上的测量，可以看到虽然摩擦力随着增大，但是摩擦力与正压力的比值不变，可知μ与正压力无关.然后保持正压力不变，分别将纸、毛巾、塑料板等不同的材料固定在木板上面，再做以上的测量，可看到摩擦力也有所不同，由实验结果，还可以求出各种情况下的滑动摩擦因数的数值.

通过学生亲身体验，激发学习兴趣，感受传感器的作用，可以为以后的自主命题研究开阔思路.

3客观认识的传感器功能，处理的传感器在现代教学中的利弊关系

正如多媒体教学可以促进教学，也会拖累教学，传感器实验也具有这样的特点，从它走进课堂开始，许多人一直抱有怀疑的态度，认为弊大于利.笔者认为这些想法不无道理，只是大家的关注点应该在于如何更好发挥它的优势，而避免它的不足.在实践的过程中笔者有以下心得和体会，与大家分享：

3.1明确运用传感器实验是一种教学辅助手段

因为现在运用传感器实验还存在着种种不足之处：如器材新颖，学生好奇心强，难以集中学生的注意力；学生对传感器的原理不熟悉，学生对数据的由来存在疑虑.所以不能以为采用传感器实验就万事大吉了，而是应该充分了解传感器实验的功能，设计好传感器系统在物理教学中的应用策略，结合各种教学手段，如视频，图片等，恰如其分地将传感器实验融入到教学内，实现物理教学效果的最优化.

3.2处理好传感器实验与传统实验的关系

应用传感器实验不等于抛弃传统实验.我们不能因为它科技含量高、操作方便、数据准确等优点，就用它完全替代传统实验仪器.传统演示实验是一种深受学生欢迎的实验形式.它是教师展示教学技艺的独特手段.它能够化枯燥为生动，化抽象为具体.对比这两种实验，我们不难看出，传统实验更注重为学生的观察和体会提供最直观生动的现象，而传感器具有强大的数据采集功能，应用其所完成的实验都是通过准确的数据来说明问题，虽然这种方式更科学，但对借于高中阶段的学生理解和归纳能力还远远不够，因此这种用抽象数据完全代替直观现象的方法是不符合学生的认知规律的.

3.3强化和提升传感器实验技能，避免实验过程的低效问题

传感器实验课堂效率不高是教学过程中遇到的一个很大问题，应该注意以下两点：

（1）老师首先要改变自己的观念，排除畏难情绪，主动的对传感器进行了解和学习，年轻教师更应该积极地学习相关知识，利用自己在计算机方面的优势帮助老教师，通过实践证明老教师在2～3次培训后就能单独熟练操作.

（2）学生受各种因素干扰，实验过程中目标不明确，随意性、盲目性比较大.因此需要课前要做好充分的准备，让学生在进入实验室之前就明确实验的目的和要求，调查发现在第二次实验时这些因数即可消除.

综上所述，传感器实验是物理新课程教学改革的一个发展方向，我们应该结合学校和学生的实际情况，逐步将其融入于教学之中，不能因为它不同于传统仪器的操作方式而抵触它，而是要充分发挥它对教学的优化功能，提高物理教学的质量，提高学生的学习水平.它虽然有不足，但只要合理利用，扬长避短，就一定能更好地发挥它促进教学的功能.做到如鲁迅在《拿来主义》里提出的“取其精华，去其糟粕”.