主頁 > 技術(shù)文章 > 運(yùn)用傳感器，創(chuàng)新高中物理教學(xué)2024-10-11

運(yùn)用傳感器，創(chuàng)新高中物理教學(xué)

新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息技術(shù)與物理課程的整合提出了具體要求，尤其是將傳感器列入中學(xué)物理課程。提出“了解常見傳感器及其應(yīng)用，體會(huì)傳感器的應(yīng)用給人們帶來的方便”。
        實(shí)驗(yàn)是物理的基礎(chǔ)。要做實(shí)驗(yàn)就離不開測(cè)量。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)是將各種物理量（如溫度、時(shí)間、力、加速度等）轉(zhuǎn)化為長度進(jìn)行度量。傳感器則是將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，人們對(duì)電信號(hào)作出進(jìn)一步的分析和處理。傳感器進(jìn)入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個(gè)新突破口。過去實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具器材是水銀溫度計(jì)、打點(diǎn)器、天平，現(xiàn)在則是用力的傳感器、溫度傳感器、電磁傳感器來探測(cè)物理量，顯示物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能探索物理規(guī)律。學(xué)生在這樣的環(huán)境下體驗(yàn)“做科學(xué)”的探究過程，來實(shí)現(xiàn)科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。
        借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室提供的先進(jìn)技術(shù)手段突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的限制，大幅度改進(jìn)原來做不出、做不好的實(shí)驗(yàn)，變“不可見”為“可見”，由“抓不住”到“抓得住”，將“不好做的”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;好做的”。
一、變“不可見”為“可見”
        將力傳感器用于超重、失重實(shí)驗(yàn)，使用位移傳感器研究加速度。
        超重、失重是生活中的常見現(xiàn)象，電梯升降、神舟號(hào)在太空中遨游時(shí)航天員的失重現(xiàn)象等，學(xué)生們都能一一列舉出來。然而如何從物理學(xué)的規(guī)律出發(fā)來認(rèn)識(shí)超重、失重的原因，卻是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。原因是學(xué)生看不到超重、失重過程中壓力的變化。超重、失重現(xiàn)象發(fā)生在物體變速運(yùn)動(dòng)的過程中，按照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝備只能用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量壓力的變化；而且在課堂中演示超重、失重所經(jīng)歷的時(shí)間又很短暫，學(xué)生根本看不清彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，更談不上記錄數(shù)據(jù)，提供給學(xué)生作為分析的依據(jù)。而引入力的傳感器，便解決了這個(gè)問題。
        在學(xué)習(xí)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律時(shí)，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生只能通過物體的運(yùn)動(dòng)速度、位移間接地計(jì)算出物體加速度的大小，而且也只能研究勻加速運(yùn)動(dòng)物體的加速度（條件：物體受到的外力恒定不變）。利用力的傳感器和位移傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)量出了物體運(yùn)動(dòng)過程受到的外力和加速度的數(shù)值，并利用計(jì)算機(jī)繪制出了力和加速度一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖線，提高了實(shí)驗(yàn)的直觀性和課堂教學(xué)效率。并且，由于傳感器實(shí)驗(yàn)不受物體運(yùn)動(dòng)情況的限制，學(xué)生還可以研究做非勻加速運(yùn)動(dòng)物體的加速度（條件：物體受到的外力不恒定），使學(xué)生很容易理解牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的瞬時(shí)性，很快突破了難點(diǎn)。
二、由“抓不住”到“抓得住”
        將電流傳感器用于自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)。
        在自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，閉合開關(guān)通電，出現(xiàn)了一個(gè)燈泡先亮，一個(gè)燈泡后亮的現(xiàn)象。這是由于電磁感應(yīng)引起通過兩個(gè)燈泡的電流不同產(chǎn)生的自然現(xiàn)象。以往教師只能通過理論分析電流的變化情況，學(xué)生無法直接觀察到電流變化的情況，只能被動(dòng)接受教師的分析，頭腦中很難有形象的物理情景作支撐，形成了教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。我們引入電流傳感器，將電流的變化記錄為圖像，使學(xué)生直觀地看到了自感對(duì)電流的影響，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)了自感現(xiàn)象的本質(zhì)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，教師又啟發(fā)學(xué)生從電磁感應(yīng)的理論出發(fā)來分析斷電時(shí)自感現(xiàn)象中電流的變化情況，并利用電流傳感器實(shí)時(shí)記錄電流變化圖像，印證學(xué)生分析推理的正確與否。在這個(gè)過程中，學(xué)生由被動(dòng)地聽講變成主動(dòng)參與，在積極地對(duì)話交流過程中，加深了對(duì)自感現(xiàn)象本質(zhì)的理解。這樣不但解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不能直觀反映出本質(zhì)現(xiàn)象的弊端，增強(qiáng)了教學(xué)效果，而且還加強(qiáng)了學(xué)生的主動(dòng)參與，大大提高了課堂教學(xué)的效率。
三、將“不好做的”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;好做的”
        同時(shí)使用力傳感器和光電門傳感器進(jìn)行向心力研究。
        在以往的向心力教學(xué)中，由于理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明都很困難，教師只能直接給出向心力公式，無法進(jìn)行任何理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明。而利用力傳感器和光電門傳感器，可以直接獲得一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)物體所受到向心力、線速度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而從數(shù)據(jù)分析中得到向心力公式。
四、對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“再挖掘”，開發(fā)其潛在的教育和教學(xué)功能
        在信息技術(shù)的支持下，探究式教學(xué)模式可以發(fā)揮更大的作用。探究式教學(xué)是以探索、研究物理規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為中心，以學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展探究能力的培養(yǎng)為根本的一種教學(xué)方法。
        傳統(tǒng)的教學(xué)方法使學(xué)生從道理上得到了一個(gè)合法邏輯的結(jié)論，然而在實(shí)際中什么是動(dòng)量，什么是沖量，什么是動(dòng)能，為什么動(dòng)能的定義要有一個(gè)1／2的系數(shù)？學(xué)生是沒有感性認(rèn)識(shí)的。在運(yùn)用傳感器進(jìn)行動(dòng)能定理、動(dòng)量定理的教學(xué)過程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情景，在實(shí)驗(yàn)全過程中主動(dòng)地進(jìn)行探索、學(xué)習(xí)，教師則加強(qiáng)對(duì)學(xué)生問題的了解，并加以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，盡可能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性；同學(xué)們?cè)诮鉀Q問題時(shí)討論、互助、合作，通過處理實(shí)驗(yàn)的一系列數(shù)據(jù)，“發(fā)現(xiàn)”新規(guī)律，“定義”新的物理量。
        這種打亂原有教材內(nèi)容安排的教學(xué)過程，要求的計(jì)算量非常大，學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)已有的程序處理數(shù)據(jù)，大大提高了課堂效率，體現(xiàn)了信息技術(shù)對(duì)物理教學(xué)的整合。探究式教學(xué)不是以定律、公式的灌輸為中心，而是以學(xué)生為主體，使學(xué)生從發(fā)現(xiàn)者和探索者的角度出發(fā)，從物理數(shù)據(jù)中，自己得到客觀世界的規(guī)律，教師在其中并不扮演教化者的角色，而是從旁邊點(diǎn)撥和指導(dǎo)，讓學(xué)生在研究和歸納的過程中，感性地理解物理變化及其規(guī)律。這樣學(xué)生最終不僅可以更深入地理解物理學(xué)的現(xiàn)象，而且可以學(xué)會(huì)物理學(xué)的一種精神——獨(dú)立思考、大膽假設(shè)和嚴(yán)謹(jǐn)探索實(shí)驗(yàn)的科學(xué)精神。

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