基于傳感器的高中物理教學研究

1、基于傳感器的高中物理教學研究香港教育學院天津市實驗中學蔣昊明(香港教育學院教育研究學院，天津市實驗中學物理組，300202)【摘要】計算機輔助教學已經(jīng)在中學教學中得到了很廣泛的應用。尤其在新課程實施過程中，計算機輔助教學已經(jīng)從多媒體方面的應用，逐漸轉(zhuǎn)向了更為專業(yè)的數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等方面的應用，從而成為了研究性學習、探究式教學的有李輔助。傳感器作為一種新興教輔器材，在實際教學中逐漸得到了開發(fā)。本文就以傳感器和計算機共同作為輔助設備，開發(fā)了一些中學物理教學中的實例?！娟P鍵字】傳感器、實驗教學、探究式學習、計算機輔助教學【作者簡介】蔣昊明(1980-),男，天津市人，研究員，物理教師，碩士，學習科

2、學與技術研究、物理學科課程與教學研究、國際教育比較研究、教育管理。作者郵箱：j_hm、傳感器輔助教學的現(xiàn)狀所謂教育技術是運用各種理論及技術，通過對教與學過程及相關資源的設計、開發(fā)、利用、管理和評價，實現(xiàn)教育教學優(yōu)化的理論與實踐。20世紀80年代末，全世界的教育教學迎來了一次巨大的革命，隨著計算機多媒體技術的誕生，一種新型教學手段既計算機輔助121教學(ComputerAssistedInstruction-CAI)逐漸發(fā)展壯大。AECT2004定義表明：(1)界定的概念名稱是"教育技術"(EducationalTechnology).而不是"教學技術(Instru

3、ctionalTechnology).(2)教育技術有兩大領域(3)教育技術有雙重目的(4)教育技術有三大范疇IIIIII研究"和"符合道德規(guī)范的實踐".促進學習"和"改善績效".創(chuàng)造""使用""管理".與AECT94定義比較,相當于將94定義中的五大范疇整合為2004定義中的三大范疇.其對應關系是：將94定義中的"設計""開發(fā)"兩個范疇合為一個范疇"創(chuàng)造"；將94定義中的"利用"范疇改成了一個較簡單的詞&

4、quot;使用"；將94定義中的"管理"與"評彳"t"兩個范疇化為"管理"一個范疇.(5)教育技術有兩大對象""過程"和"資源”.與94定義中的"學習過程""學習資源”有定區(qū)別.2004定義中的"過程"和"資源"之前有一個限定詞"適當?shù)募夹g性的"過程與資源.(6)教育技術的主要特征在于其技術性這種新興的教育教學手段是將計算機技術運用于課堂教學、實驗教學、學生個別化教學(人-機對話式)及教

5、學管理等各教學環(huán)節(jié)。并且在這些環(huán)節(jié)中將教學質(zhì)量和效率大大提高，滿足了知識快速、準確、高效傳遞的要求。而隨著科技發(fā)展，各種新材料、新技術的涌現(xiàn)又為計算機輔助教學提供了強有力的支持，傳感器便是其中應用空間最大的一種。對于傳統(tǒng)教學，它是有力的補充，特別是在物理、化學、生物的實驗教學中(以下簡稱計輔實驗)尤其明顯。早在20世紀70年代，美國PASC8司就開發(fā)與研究了一系列傳感器類型的實驗儀器，并將這些儀器引入教學當中，非常有效的提高了實驗教學效果，并改進了很多實驗方法，而后，計算機多媒體的誕生，有將傳感器帶入了一個更高的境界，從而更進一步促進了教學效果的提高。然而在我國，計算機普及相對較晚，而且由于成

6、本原因，在開始階段的普及面很小，而傳感器在教學中的使用更是從近幾年才逐漸出現(xiàn)?？梢哉f，傳感器結合計輔實驗在我國目前還尚處在起步階段。因此，對于傳感器結合計輔實驗的開發(fā)在現(xiàn)階段更顯得十分重要。二、傳感器在中學物理教學中的使用開發(fā)實例許多學生學習中學物理學科都會感覺困難，主要原因是由于中學物理知識中有很多內(nèi)容比較抽象、不直觀，因此需要學生的想象與理解。而傳感器結合計算機的使用正好可以幫助教師在教學過程中，將不易直接觀察的情景進行充分展示，并利用相關軟件對數(shù)據(jù)進行搜集、整理和對比，從而可以幫助學生更好的掌握所學知識。下面，分別舉幾個新課程中的物理教學實例來說明傳感器結合計輔實驗的優(yōu)勢：（一）有傳感器

7、參與的計輔實驗使某些實驗現(xiàn)象更直觀更形象例如：我們在進行牛頓第三定律實驗教學時，通常都是進行一些傳統(tǒng)的實驗演示（如：兩彈簧對拉、兩手的拇指相互作用等），而引入傳感器參與的計輔實驗后，我們可以設計兩個規(guī)格相同的傳感器對拉，則通過數(shù)據(jù)采集器傳入電腦，即可以在電腦屏幕上得到作用力和反作用力的時間變化圖像（如圖1）圖1由圖可知：作用力與反作用力，大小相等、方向相反、瞬時對應，形象直觀。又例如：我們在研究簡諧運動時，我們可以設計如圖2實驗:彈替桅子運動學彈簧振子的運動可以通過力學傳感器和運動學傳感器對其運動進行采集數(shù)據(jù)，最后我們通過DataStudio軟件（計算機輔助），在電腦屏幕上可以得到簡諧運動物體

8、的F-t、s-t、a-t、v-t等圖象，如圖3示：-2.010-G-10/WWWWVWZVX>時間WWWWWWVW時間付123A56789Wil運行有1.0-運行打aazwwwwmwv圖4時間圖圖3即作簡諧運動的物體回復力F、振子離開平衡位置的位移S、加速度a、速度v、都是關于時間的正余弦函數(shù)，并且周期、頻率、振幅一目了然。另外我們還可以通過變化橫縱坐標的物理量得到如圖4、5:團倒回川叵刎拉合,I回AIM團臼。救據(jù)，1兇目臼運動學特征：速度是關于位置的橢圓規(guī)律變化（即動能和勢能關系）這樣既形象又直觀，使得我們的教學大大降低了難度。（二）有傳感器參與的計輔實驗使更多的實驗能定性研究高中物理

9、課本中有些實驗只能定性演示，不能定量研究，增加了學生的理解難度，例如:在研究動量定理時，我們往往做這樣的實驗，讓雞蛋從相同的高度落下分別砸在木板和塑料板上看雞蛋破不破來說明“力的大小其實就是物體的動量的變化率"，只能定性分析。而引入有傳感器參與的計輔實驗教學后，我們可以設計如圖6實驗，讓傳感器兩次從相同的高度自由下落，兩次繩子的長度相等。傳感器力學傳感器從相同的應度目由落下（兩種情況貓長相等）最后在電腦屏幕上會出現(xiàn)如圖7:最小最大平均計數(shù)區(qū)域運行#1-3.500-1.948-02Ns運行#4（已編輯）-1460.0-7810-02Nls-2圖7運行#1是繩子有一部分橡皮筋的傳感器的受

10、力時間圖運行#4是繩子只是細線的傳感器的受力時間圖很明顯，兩種情況物體的動量變化情況一樣（0.2Ns）,有橡皮筋的繩子對傳感器有緩沖作用，作用的時間長（計數(shù)點48）,平均作用力?。?.9N）。這樣既提高了實驗的定量研究，又能更加直觀形象表明P、AP>F、t之間的關系。（三）有傳感器參與的計輔實驗使更多的實驗變?yōu)榭刹僮餮菔救私贪娴慕滩挠捎谑軛l件與水平的限制，有一部分物理規(guī)律實驗的演示、重現(xiàn)變得極其困難，課本往往用語句“精確的實驗表明”（如人教版第二冊P148F=BIL,P172E=BLV,霍姆赫茲線圈磁場分布等）直接代替實驗，給學生的理解帶來了困難，增加了難度，也不符合物理實驗課的特點。如

11、果有條件我們引入有傳感器參與的計輔實驗教學后，問題就可以解決了。如：在研究感應電動勢E與日L、V之間的關系實驗中，我們可以用控制變量法，設計實驗研究在B、L一定的情況下，研究E與V之間的關系，即讓通電的直導線垂直切割勻強磁場，通過傳感器參與，計算機輔助可以得到如圖8形關系：圖8:在RL一定的情況下，E與V成正比。（E與B、L的關系略）又如：高二物理教材中，帶電粒子進入霍姆赫茲線圈，做圓周運動，說明兩個平行放置的相同線圈中間存在勻強磁場，學生不好理解，我們可以設計如圖9實驗直接用磁傳感器測量兩線圈中間的磁場，測量結果如圖10。圖90.000.020.040.060.040

12、.16018線位置（E）圖10多次改變位置測量，我們發(fā)現(xiàn)兩個平行放置的相同線圈中間確實有一個勻強磁場空間存在，直彳至約為0.05m。（四）傳感器參與的計輔實驗更能體現(xiàn)出實驗創(chuàng)造性與開放性中學教材安排的演示與分組實驗，都可以通過傳感器參與計算機來輔助完成，增加了學生對知識的進一步的了解。如研究干電池的電動勢和內(nèi)阻實驗，我們設計電路（與教材相同，電壓表和電流表分別用電壓傳感器和電流傳感器代替），則通過計算機輔助，可直接得到如圖11:圖117縱坐標截距為電池的電動勢E=1.5v，線性擬合直線的斜率為電池的內(nèi)阻r=0.18Q,把計輔實驗教學的優(yōu)點淋漓盡致地展現(xiàn)了出來。除此之外還可以開發(fā)和研究更多的實驗

13、，如我們曾列以下專題進行研究：自然界物理現(xiàn)象中的周期與頻率；弱電現(xiàn)象；聲現(xiàn)象；超失重問題等，為學生的能力的培養(yǎng)搭建了一個嶄新的平臺（具體事例略）。三、傳感器參與計輔實驗的優(yōu)勢通過上面物理教學中的實例，我們可以看到，傳感器參與計輔實驗對教學過程中的一些難點有很大的幫助，可以從多個方面幫助教師講更好的解課程內(nèi)容。除此之外，我們還注意到，傳感器參與的計算機輔助教學還有助于培養(yǎng)學生的實驗能力與創(chuàng)新能力。同時在開發(fā)相關實驗課程的過程中，也提高了教師的專業(yè)能力。并且傳感器參與的計輔實驗還為研究性學習與探究式教學的實施提供了可能。與傳統(tǒng)的學科課程相比，“研究性學習”課程是一種以學生為本，讓學生主動發(fā)現(xiàn)問題，

14、主動探索解決問題所需要的知識、方法，重視學生解決問題能力的“綜合實踐課程”，注重于學生個性的全面發(fā)展。而探究式教學是以探究為基本特征的一種教學活動形式。這兩種教學模式都是在新課程體系下重點發(fā)展的方向，而傳感器參與的計輔實驗正好符合了這樣的教學理念。四、傳感器參與計輔實驗的限制但同時我們也意識到傳感器參與計輔實驗在現(xiàn)階段教學中的一些限制：1 .傳感器參與的計輔實驗，搜集的數(shù)據(jù)太貼近真實情況，從而與中學物理教材的一些內(nèi)容不是完全符合，會給教師的講解、學生學習帶來麻煩。2 .學生使用傳感器參與的計輔實驗，需要一定的數(shù)學知識輔助數(shù)據(jù)整理。因此數(shù)學統(tǒng)計知識的缺乏會影響學生對于實驗的理解。3 .但是目前關

15、于傳感器參與計輔實驗的統(tǒng)一教材內(nèi)容十分缺乏。一名教師很難獨立完成一系列課程系統(tǒng)開發(fā)工作。4 .由于經(jīng)費等各方面條件的限制，傳感器計輔實驗在短時期內(nèi)不會在全國大范圍普及，從而缺少同行間互相溝通與借鑒的條件。四、總論總的來說，有傳感器參與的計算機輔助教學有很多優(yōu)勢：它不僅可以豐富教學手段，還可以提高教學效率，更可以培養(yǎng)學生的興趣與創(chuàng)新能力，甚至還可以從側面提高教師能力。然而在實際中，由于經(jīng)費、課程內(nèi)容、數(shù)據(jù)弊端等方面的影響，現(xiàn)階段對于它的使用與推廣又收到了一定的限制。但是對于這些限制，正好給師生提供了一個研究性學習與探究式教學的平臺，通過實際問題的解決又可以反過來進一步促進教學。傳感器參與的計輔實驗有很多地方值得我們探索，在對新課程研究逐步深入的今天，它的存在為教學增添了有力的手段，為師生構建了良好的平臺，更為未來教學的的發(fā)展做出了貢獻，值得推廣與創(chuàng)新?！緟⒖嘉墨I】12004年12月2