基于传感器的高中物理教学研究

1、基于传感器的高中物理教学研究香港教育学院天津市实验中学蒋昊明(香港教育学院教育研究学院，天津市实验中学物理组，300202)【摘要】计算机辅助教学已经在中学教学中得到了很广泛的应用。尤其在新课程实施过程中，计算机辅助教学已经从多媒体方面的应用，逐渐转向了更为专业的数据搜集、数据统计等方面的应用，从而成为了研究性学习、探究式教学的有李辅助。传感器作为一种新兴教辅器材，在实际教学中逐渐得到了开发。本文就以传感器和计算机共同作为辅助设备，开发了一些中学物理教学中的实例。【关键字】传感器、实验教学、探究式学习、计算机辅助教学【作者简介】蒋昊明(1980-),男，天津市人，研究员，物理教师，硕士，学习科

2、学与技术研究、物理学科课程与教学研究、国际教育比较研究、教育管理。作者邮箱：j_hm、传感器辅助教学的现状所谓教育技术是运用各种理论及技术，通过对教与学过程及相关资源的设计、开发、利用、管理和评价，实现教育教学优化的理论与实践。20世纪80年代末，全世界的教育教学迎来了一次巨大的革命，随着计算机多媒体技术的诞生，一种新型教学手段既计算机辅助121教学(ComputerAssistedInstruction-CAI)逐渐发展壮大。AECT2004定义表明：(1)界定的概念名称是"教育技术"(EducationalTechnology).而不是"教学技术(Instru

3、ctionalTechnology).(2)教育技术有两大领域(3)教育技术有双重目的(4)教育技术有三大范畴IIIIII研究"和"符合道德规范的实践".促进学习"和"改善绩效".创造""使用""管理".与AECT94定义比较,相当于将94定义中的五大范畴整合为2004定义中的三大范畴.其对应关系是：将94定义中的"设计""开发"两个范畴合为一个范畴"创造"；将94定义中的"利用"范畴改成了一个较简单的词&

4、quot;使用"；将94定义中的"管理"与"评彳"t"两个范畴化为"管理"一个范畴.(5)教育技术有两大对象""过程"和"资源”.与94定义中的"学习过程""学习资源”有定区别.2004定义中的"过程"和"资源"之前有一个限定词"适当的技术性的"过程与资源.(6)教育技术的主要特征在于其技术性这种新兴的教育教学手段是将计算机技术运用于课堂教学、实验教学、学生个别化教学(人-机对话式)及教

5、学管理等各教学环节。并且在这些环节中将教学质量和效率大大提高，满足了知识快速、准确、高效传递的要求。而随着科技发展，各种新材料、新技术的涌现又为计算机辅助教学提供了强有力的支持，传感器便是其中应用空间最大的一种。对于传统教学，它是有力的补充，特别是在物理、化学、生物的实验教学中(以下简称计辅实验)尤其明显。早在20世纪70年代，美国PASC8司就开发与研究了一系列传感器类型的实验仪器，并将这些仪器引入教学当中，非常有效的提高了实验教学效果，并改进了很多实验方法，而后，计算机多媒体的诞生，有将传感器带入了一个更高的境界，从而更进一步促进了教学效果的提高。然而在我国，计算机普及相对较晚，而且由于成

6、本原因，在开始阶段的普及面很小，而传感器在教学中的使用更是从近几年才逐渐出现。可以说，传感器结合计辅实验在我国目前还尚处在起步阶段。因此，对于传感器结合计辅实验的开发在现阶段更显得十分重要。二、传感器在中学物理教学中的使用开发实例许多学生学习中学物理学科都会感觉困难，主要原因是由于中学物理知识中有很多内容比较抽象、不直观，因此需要学生的想象与理解。而传感器结合计算机的使用正好可以帮助教师在教学过程中，将不易直接观察的情景进行充分展示，并利用相关软件对数据进行搜集、整理和对比，从而可以帮助学生更好的掌握所学知识。下面，分别举几个新课程中的物理教学实例来说明传感器结合计辅实验的优势：（一）有传感器

7、参与的计辅实验使某些实验现象更直观更形象例如：我们在进行牛顿第三定律实验教学时，通常都是进行一些传统的实验演示（如：两弹簧对拉、两手的拇指相互作用等），而引入传感器参与的计辅实验后，我们可以设计两个规格相同的传感器对拉，则通过数据采集器传入电脑，即可以在电脑屏幕上得到作用力和反作用力的时间变化图像（如图1）图1由图可知：作用力与反作用力，大小相等、方向相反、瞬时对应，形象直观。又例如：我们在研究简谐运动时，我们可以设计如图2实验:弹替桅子运动学弹簧振子的运动可以通过力学传感器和运动学传感器对其运动进行采集数据，最后我们通过DataStudio软件（计算机辅助），在电脑屏幕上可以得到简谐运动物体

8、的F-t、s-t、a-t、v-t等图象，如图3示：-2.010-G-10/WWWWVWZVX>时间WWWWWWVW时间付123A56789Wil运行有1.0-运行打aazwwwwmwv图4时间图图3即作简谐运动的物体回复力F、振子离开平衡位置的位移S、加速度a、速度v、都是关于时间的正余弦函数，并且周期、频率、振幅一目了然。另外我们还可以通过变化横纵坐标的物理量得到如图4、5:团倒回川叵刎拉合,I回AIM团臼。救据，1凶目臼运动学特征：速度是关于位置的椭圆规律变化（即动能和势能关系）这样既形象又直观，使得我们的教学大大降低了难度。（二）有传感器参与的计辅实验使更多的实验能定性研究高中物理

9、课本中有些实验只能定性演示，不能定量研究，增加了学生的理解难度，例如:在研究动量定理时，我们往往做这样的实验，让鸡蛋从相同的高度落下分别砸在木板和塑料板上看鸡蛋破不破来说明“力的大小其实就是物体的动量的变化率"，只能定性分析。而引入有传感器参与的计辅实验教学后，我们可以设计如图6实验，让传感器两次从相同的高度自由下落，两次绳子的长度相等。传感器力学传感器从相同的应度目由落下（两种情况猫长相等）最后在电脑屏幕上会出现如图7:最小最大平均计数区域运行#1-3.500-1.948-02Ns运行#4（已编辑）-1460.0-7810-02Nls-2图7运行#1是绳子有一部分橡皮筋的传感器的受

10、力时间图运行#4是绳子只是细线的传感器的受力时间图很明显，两种情况物体的动量变化情况一样（0.2Ns）,有橡皮筋的绳子对传感器有缓冲作用，作用的时间长（计数点48）,平均作用力小（1.9N）。这样既提高了实验的定量研究，又能更加直观形象表明P、AP>F、t之间的关系。（三）有传感器参与的计辅实验使更多的实验变为可操作演示人教版的教材由于受条件与水平的限制，有一部分物理规律实验的演示、重现变得极其困难，课本往往用语句“精确的实验表明”（如人教版第二册P148F=BIL,P172E=BLV,霍姆赫兹线圈磁场分布等）直接代替实验，给学生的理解带来了困难，增加了难度，也不符合物理实验课的特点。如

11、果有条件我们引入有传感器参与的计辅实验教学后，问题就可以解决了。如：在研究感应电动势E与日L、V之间的关系实验中，我们可以用控制变量法，设计实验研究在B、L一定的情况下，研究E与V之间的关系，即让通电的直导线垂直切割匀强磁场，通过传感器参与，计算机辅助可以得到如图8形关系：图8:在RL一定的情况下，E与V成正比。（E与B、L的关系略）又如：高二物理教材中，带电粒子进入霍姆赫兹线圈，做圆周运动，说明两个平行放置的相同线圈中间存在匀强磁场，学生不好理解，我们可以设计如图9实验直接用磁传感器测量两线圈中间的磁场，测量结果如图10。图90.000.020.040.060.040

12、.16018线位置（E）图10多次改变位置测量，我们发现两个平行放置的相同线圈中间确实有一个匀强磁场空间存在，直彳至约为0.05m。（四）传感器参与的计辅实验更能体现出实验创造性与开放性中学教材安排的演示与分组实验，都可以通过传感器参与计算机来辅助完成，增加了学生对知识的进一步的了解。如研究干电池的电动势和内阻实验，我们设计电路（与教材相同，电压表和电流表分别用电压传感器和电流传感器代替），则通过计算机辅助，可直接得到如图11:图117纵坐标截距为电池的电动势E=1.5v，线性拟合直线的斜率为电池的内阻r=0.18Q,把计辅实验教学的优点淋漓尽致地展现了出来。除此之外还可以开发和研究更多的实验

13、，如我们曾列以下专题进行研究：自然界物理现象中的周期与频率；弱电现象；声现象；超失重问题等，为学生的能力的培养搭建了一个崭新的平台（具体事例略）。三、传感器参与计辅实验的优势通过上面物理教学中的实例，我们可以看到，传感器参与计辅实验对教学过程中的一些难点有很大的帮助，可以从多个方面帮助教师讲更好的解课程内容。除此之外，我们还注意到，传感器参与的计算机辅助教学还有助于培养学生的实验能力与创新能力。同时在开发相关实验课程的过程中，也提高了教师的专业能力。并且传感器参与的计辅实验还为研究性学习与探究式教学的实施提供了可能。与传统的学科课程相比，“研究性学习”课程是一种以学生为本，让学生主动发现问题，

14、主动探索解决问题所需要的知识、方法，重视学生解决问题能力的“综合实践课程”，注重于学生个性的全面发展。而探究式教学是以探究为基本特征的一种教学活动形式。这两种教学模式都是在新课程体系下重点发展的方向，而传感器参与的计辅实验正好符合了这样的教学理念。四、传感器参与计辅实验的限制但同时我们也意识到传感器参与计辅实验在现阶段教学中的一些限制：1 .传感器参与的计辅实验，搜集的数据太贴近真实情况，从而与中学物理教材的一些内容不是完全符合，会给教师的讲解、学生学习带来麻烦。2 .学生使用传感器参与的计辅实验，需要一定的数学知识辅助数据整理。因此数学统计知识的缺乏会影响学生对于实验的理解。3 .但是目前关

15、于传感器参与计辅实验的统一教材内容十分缺乏。一名教师很难独立完成一系列课程系统开发工作。4 .由于经费等各方面条件的限制，传感器计辅实验在短时期内不会在全国大范围普及，从而缺少同行间互相沟通与借鉴的条件。四、总论总的来说，有传感器参与的计算机辅助教学有很多优势：它不仅可以丰富教学手段，还可以提高教学效率，更可以培养学生的兴趣与创新能力，甚至还可以从侧面提高教师能力。然而在实际中，由于经费、课程内容、数据弊端等方面的影响，现阶段对于它的使用与推广又收到了一定的限制。但是对于这些限制，正好给师生提供了一个研究性学习与探究式教学的平台，通过实际问题的解决又可以反过来进一步促进教学。传感器参与的计辅实验有很多地方值得我们探索，在对新课程研究逐步深入的今天，它的存在为教学增添了有力的手段，为师生构建了良好的平台，更为未来教学的的发展做出了贡献，值得推广与创新。【参考文献】12004年12月2