傳感器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

胡華愉 楊曉梅

摘? ?要：傳感器作為新技術(shù)設(shè)備被引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。文章以“牛頓第三定律”為例，以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與傳感器實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，提出實(shí)施傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體建議。

關(guān)鍵詞：傳感器實(shí)驗(yàn);物理核心素養(yǎng);科學(xué)探究

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）6-0051-3

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面[1]?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在教學(xué)策略上提倡新科技，傳感器作為典型新型技術(shù)被引進(jìn)實(shí)驗(yàn)課堂，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。在教學(xué)過程中如何使用新的技術(shù)設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維等要素是一個(gè)重要的研究課題。

1? ? 傳感器引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，簡稱DIS）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和配套軟件等構(gòu)成的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為教學(xué)提供了新的策略和方法。中學(xué)物理傳感器實(shí)驗(yàn)就是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用各類數(shù)字化信息系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)具備準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、直觀等特點(diǎn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提高教學(xué)效率。

學(xué)習(xí)進(jìn)階思想認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個(gè)逐漸累積、演進(jìn)的過程;學(xué)生對科學(xué)概念的理解存在多個(gè)中間水平，學(xué)生需要經(jīng)歷這些水平方能實(shí)現(xiàn)不斷進(jìn)步發(fā)展[2]，揭示了學(xué)生的思維由簡到繁、由淺入深、從具體到抽象不斷轉(zhuǎn)變的狀態(tài)。隨著科技的不斷發(fā)展與傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外物理教育領(lǐng)域都開始重視傳感器在物理實(shí)驗(yàn)（教學(xué)）中的應(yīng)用，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科技意識、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[3]。因此，傳感器實(shí)驗(yàn)符合實(shí)際教學(xué)的需要，并順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，從簡單定性實(shí)驗(yàn)逐漸過渡到高度定量的數(shù)字化傳感器實(shí)驗(yàn)，最終得出抽象的物理規(guī)律。

2? ? 傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)與分析

人教版高中物理必修一“牛頓第三定律”一節(jié)的“做一做”欄目是對課堂實(shí)驗(yàn)的拓展與延伸，要求用傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系。以該節(jié)為例，結(jié)合朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab）實(shí)驗(yàn)指南中“研究力的相互作用”的內(nèi)容，設(shè)計(jì)體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如圖1所示。

2.1? ? 教學(xué)過程

2.1.1? ? 創(chuàng)設(shè)情境，深化物理觀念

探究一：力的作用具有相互性和同時(shí)性

概念回顧：回顧位移、摩擦力、牛頓第二定律等知識點(diǎn)。

導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)學(xué)生分別坐在帶有滾輪的椅子上，其中一個(gè)學(xué)生以輕推和用力推兩種方式作用于另一個(gè)學(xué)生，分析椅子的運(yùn)動(dòng)情況。

教學(xué)要求：讓學(xué)生用位移、速度和力等物理量描述椅子的運(yùn)動(dòng)情況，理解正是由于力的作用是相互的才使得兩把椅子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都發(fā)生了改變，并且這兩個(gè)力同時(shí)出現(xiàn)、同時(shí)消失，主動(dòng)構(gòu)建“作用力與反作用力”的概念。

探究二：力的相互性普遍存在

實(shí)驗(yàn)1：磁鐵間的相互作用，如圖2所示;

實(shí)驗(yàn)2：兩個(gè)氣球相互擠壓，如圖3所示;

實(shí)驗(yàn)3：兩種自制的電動(dòng)機(jī)，如圖4所示。

教學(xué)要求：引導(dǎo)學(xué)生說出實(shí)驗(yàn)中的受力物體和施力物體，找到各種性質(zhì)的相互作用力，得出“力的相互性普遍存在”的結(jié)論。

引導(dǎo)思考：力有大小、方向、作用點(diǎn)三個(gè)要素，那作用力與反作用力的三要素間存在何種關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：利用生活中簡單定性實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生思考，親歷實(shí)驗(yàn)以提高課堂活躍度，幫助其構(gòu)建“作用力與反作用力”的概念，深化“運(yùn)動(dòng)與相互作用”觀念。通過一系列的實(shí)驗(yàn)與理論分析，讓學(xué)生理解力的作用具有相互性、同時(shí)性，并且普遍存在于各種性質(zhì)的力之間，再根據(jù)“三要素”提問學(xué)生相互作用力的關(guān)系，過渡到具體的探究實(shí)驗(yàn)。此階段通過設(shè)置引導(dǎo)性問題，讓學(xué)生主動(dòng)探索、發(fā)現(xiàn)知識。

2.1.2? ? 科學(xué)探究，實(shí)訓(xùn)科學(xué)思維

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)并制訂方案，組裝器材探究作用力與反作用力的關(guān)系。

方案一：提供兩個(gè)彈簧測力計(jì)讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開展研究。

方案二：為學(xué)生提供朗威DISLab，在仔細(xì)研讀實(shí)驗(yàn)指南和教師演示實(shí)驗(yàn)的前提下，學(xué)生小組合作探究作用力與反作用力的關(guān)系。

探究過程的三個(gè)重要環(huán)節(jié)：

（1）軟件獲取“F-t”圖像并進(jìn)行處理，如圖5、圖6所示。

（2）分析實(shí)驗(yàn)圖像，發(fā)展基于證據(jù)得出結(jié)論的證據(jù)意識，理解所得的牛頓第三定律本身就是一種物理模型。

（3）引導(dǎo)學(xué)生從硬件、軟件兩方面交流產(chǎn)生誤差的原因;反思實(shí)驗(yàn)過程中的不足，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的優(yōu)化;分析相互作用力與平衡力的異同;運(yùn)用牛頓第三定律解釋生活中常見的物理現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、合理猜想、分析論證、合作交流并評估反思等步驟，使學(xué)生從感性判斷過渡到理性推理，讓他們體會科學(xué)探究的過程，實(shí)驗(yàn)方案的多樣化將有助于思維的訓(xùn)練，能對物理現(xiàn)象保持好奇心和求知欲。

以科學(xué)為基礎(chǔ)提出并解決問題，體現(xiàn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器和操作，融入了數(shù)據(jù)圖表的數(shù)學(xué)分析等，表明傳感器實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含著部分STEM理念。該教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)的教學(xué)目標(biāo)和物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心要素不謀而合[4]。探索發(fā)現(xiàn)式的傳感器實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中具有顯著優(yōu)勢。

2.2? ? 用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)建議

相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化傳感器實(shí)驗(yàn)的要求有所提高，分析案例提出完善傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建議。

2.2.1? ? 落實(shí)傳感器基礎(chǔ)知識

兩類實(shí)驗(yàn)在器材選用方面存在差異，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)僅有硬件，傳感器實(shí)驗(yàn)則包含硬件和軟件。相應(yīng)的傳感器內(nèi)容到選修3-2第六章中才有涉及，教師應(yīng)在學(xué)生現(xiàn)有水平上將該部分適當(dāng)調(diào)整，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前掌握必要的傳感器基礎(chǔ)知識，做到知其然知其所以然，這是教學(xué)中容易忽視的地方。

2.2.2? ? 突出配套軟件的使用

計(jì)算機(jī)和配套軟件的出現(xiàn)改變了學(xué)生印象中只能運(yùn)用硬件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的刻板觀念，帶來學(xué)習(xí)上的新體驗(yàn)，但同時(shí)也讓他們對能否順利完成實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生焦慮。傳感器實(shí)驗(yàn)對比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中彈簧測力計(jì)讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)而言，雖在儀器組裝后進(jìn)行的硬件操作相對簡單，但大部分步驟是在軟件中完成，對軟件的使用要求較高。應(yīng)盡量做到熟悉并理解實(shí)驗(yàn)指南的各步驟，深入?yún)⑴c實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，掌握實(shí)驗(yàn)的決策權(quán)。

2.2.3? ? 強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

數(shù)字化傳感器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)由傳感器傳輸至計(jì)算機(jī)軟件，省略了數(shù)據(jù)收集過程，但讀數(shù)環(huán)節(jié)的缺失將導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)的能力不足，獲取和處理信息又是科學(xué)探究的重要步驟之一。因此，教師可先安排學(xué)生掌握傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，具備收集數(shù)據(jù)的能力后，再進(jìn)行傳感器實(shí)驗(yàn)操作。

對于使用通用軟件缺少收集數(shù)據(jù)表格的問題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作如下：在通用軟件8.0中同時(shí)插入“計(jì)算表格”與“組合圖線1”，選擇“計(jì)算表格控制”界面，設(shè)置采樣間隔為0.2 s，對力傳感器手動(dòng)清零，正確拉動(dòng)力傳感器得到數(shù)據(jù)表格，點(diǎn)擊“繪圖”先后在“組合圖線1”中用兩種不同顏色繪制兩力傳感器拉力的散點(diǎn)圖。若實(shí)驗(yàn)效果較好，兩力傳感器的數(shù)據(jù)接近，在散點(diǎn)圖中表示為任意時(shí)刻的兩點(diǎn)幾乎重合。

2.2.4? ? 重視實(shí)驗(yàn)圖像的分析

作圖可增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)據(jù)的敏感程度，而軟件直接繪制圖像可能影響理解物理量間的關(guān)系，此時(shí)圖像解讀就顯得至關(guān)重要。應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從硬件、軟件兩方面分析傳感器實(shí)驗(yàn)的誤差，找到圖中與之對應(yīng)的地方，訓(xùn)練評估和反思能力。本實(shí)驗(yàn)確保硬件的正確操作和各項(xiàng)調(diào)零，可有效減小實(shí)驗(yàn)誤差。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）