對“傳感器類科學玩具”課程化的研究
——科學玩具物理教育功能開發和研究系列八

王丹鳳

(義烏中學 浙江義烏 322000)

隨著新款玩具的不斷開發和設計,市場上越來越多地出現了高新科技類玩具產品,比如聲控恐龍、光控娃娃、遙控飛機、機器人等,不僅能給使用者帶來樂趣,更有助于激發求知欲望,開發兒童智力.

聲控恐龍形態逼真、反應靈敏、表情豐富,還具有逼真的聲音和多姿的動作,通過指令可以踱步前進,頭部可以大幅度上下左右擺動、張開大口發出咆哮、嚎叫,會介紹自己的身世、習性等.它融知識性、趣味性、教育性于一體,使玩者愛不釋手.這樣孩子們在玩耍的同時,開發智力、增加見識、學到知識.

電子鳥羽毛鮮艷、形態逼真,放置在形狀各異的盒子里,打開盒蓋時,它就會“啾啾”地叫個不停,聲音婉轉,非常可愛;當合上盒蓋或者晚間,鳥兒就安心地“睡眠”了.晨鳴電子鳥與此類似,可以將它放置在窗臺上,在晚上臨睡前合上電源開關,第二天清晨,鳥鳴器便會自動發出鳥叫聲,直到主人起床后斷開電源為止.

這類玩具很好地利用了各式各樣的傳感器,達到電路自動控制的目的,大致有光控、聲控、磁控、振動控制、紅外線控制等.這為中學物理教學提供了豐富的教育資源,可在提高學生的科學素養和技術素養上起到積極作用.

1 玩具走進課堂,滲透STS教育

19世紀英國著名的教育家斯賓塞說:“教學是為了完美的生活.”陶行知說:“生活即教學”.《課程標準》將“傳感器”列為《選修3-2》模塊的二級主題,也正集中體現了對科學、技術和社會相互關系的關注.正是有了傳感器,現代信息技術才能實現電路的自動化控制.“傳感器”這個主題富有濃厚的時代氣息,在教學中更應不失時機地加以滲透.在“傳感器及其工作原理”的教學過程中,筆者課前先把一個光控玩具(圖1)掛在門口.當有人走進來時,它會很熱情地說“歡迎光臨”.雖然以前在一些商店門口經常見到,但突然出現在課堂上,還是引起了同學們強烈的好奇與關注.緊接著,又拿出玩具貓頭鷹放在講臺上,用電筒光去照射它時,它嚇得跑開了,跑了半圈后又自動停下來;等再把光照到它臉上,它又會跑半圈,很好地模擬了貓頭鷹怕見陽光通常在夜間活動的特性.同學們似乎馬上就領悟了其中的奧妙:光在起著控制作用.

圖1

然后我拿出嬰幼兒特別喜愛的仿真娃娃,拍打它或者拍打桌面,它就開始揮舞著小手和大家說話;如果猛烈地把它摔倒,它會哭著喊救命,一下子讓課堂氣氛高漲到了極點.體會了玩的樂趣后,學生陸續開始提出這樣一個核心問題:誰在指揮著它?通過大家的討論慢慢把矛頭轉向了內部藏有的震動感應器.通過這些實物來理解“傳感器”概念,初步了解傳感器的基本功能.

緊接著,帶領同學們探究兩個問題.

(2)光傳感器在生活中還能有哪些應用?

為了能讓學生更好地理解電路原理,我們提供給每組學生光敏二極管和發光二極管各一只、干電池二節、導線、開關等.先讓學生認識光敏電阻,然后如圖2所示連接電路.當閉合開關時就能看見二極管發光;當用手或者黑布遮蓋光敏電阻時,發光二極管變暗.有幾組同學還在線路中串聯上生日賀卡的音樂片,玩得很有趣.學生通過動手制作簡單的光控電路來深入了解光敏電阻的特性.

圖2

對于光傳感器的應用,同學除了說到晨鳴鳥和怕光貓頭鷹等玩具外,還說到了光控大門,電路結構如圖3所示.把光敏電阻裝在大門上汽車燈光能照到的地方,把帶動大門的電動機接在干簧管的電路中.夜間汽車開到大門前,燈光照射光敏電阻時,電路導通,使干簧繼電器接通電動機電路,電動機帶動大門打開.由此將該原理推廣,將電動機裝在玩具貓頭鷹中,就做成會走動的怕光貓頭鷹.將電動機換成蜂鳴器,就做成一個晨鳴電子鳥了.讓學生舉一反三.說明工作原理后,我再拿出實物電路進行演示,不僅了解了光傳感器,知道了電路的結構及原理,還了解了干簧管作為磁控裝置的作用.

圖3

圖4

同學又列舉了生活中火災報警器,此時我不失時機地提出了火災報警器的兩種典型類型:溫度火災報警器和煙霧火災報警器.圖4是煙霧散射式火災報警器,帶孔的罩子內裝有發光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.正常時,光電三極管收不到LED發出的光,呈現高電阻狀態.當火災發生時,煙霧進入罩內后對光有散射作用,使部分光線照射到光電三極管上,使其電阻變小,與傳感器連接的電路檢測出這種變化,就會發出警報;而溫度火災報警器采用的是熱敏電阻Rt(圖5).低溫時電阻值很大;高溫時電阻值急劇減小,由此來控制電路,結合簡單的門電路就能起到報警作用.與此同時,同學們又爭先恐后地舉了很多溫度傳感器的應用實例,很好地了解了溫度傳感器在電子電器中的廣泛應用.

圖5

霍爾元件對學生而言頗為生疏,而實際上在電子電路中經常能見到;例如在一些智能玩具、電動自行車的調速手柄、汽車上測量發動機轉速等都能找到.在課堂中我們從智能電子恐龍玩具上拆卸下霍爾元件用于“霍爾效應”的教學.如圖6所示,將條形磁鐵S極一端靠近元件時,能看到電壓表向右偏轉,而且小電動機順時針轉動;當換成N極一端靠近時,電壓表反偏電動機反轉.根據實驗現象來分析霍爾元件作為磁傳感器的原理,加深對霍爾效應的理解.

圖6

運用力、電壓、電流、溫度、聲音、光強等各種傳感器,我們建立了數字化信息系統實驗室,克服了傳統物理實驗儀器的諸多弊端,促進了信息技術與物理教學的全面整合.

2 理論聯系實際,提高分析和應用能力

物理的課堂教學一直堅持理論聯系實際,我們有意識地加強物理知識在日常生活中的應用,鼓勵學生應用所學知識解決實際問題,培養學生的實際應用能力.在傳感器的教學中,我們圍繞不同類型傳感器作為“自動控制開關”展開討論與分析.

透析患者體內存在微炎癥狀態。在血透患者合并sTWEAK減低患者，其CRP、IL-6等炎癥因子升高，sTWEAK水平下降組其CRP、FIB等炎癥因子水平明顯升高，sTWEAK與CRP等炎癥因子呈負相關，提示sTWEAK參與了透析患者微炎癥狀態的過程。

圖7

有一種“饞嘴貓”,當用食物誘餌靠近它時,貓會張大嘴巴,兩眼發光.究其原因,不難發現,電路中利用了一個干簧管對貓身的動作和燈光起著控制作用(圖7),當磁體靠近它時,兩個簧片被磁化而接通,電路中的燈光和機械裝置開始動作.與此功能類似的霍爾元件在一些玩具和翻蓋手機中也發揮著開關的作用,而且還能測量電流、電壓、磁感應強度、速度、電量等.

為了更好地掌握霍爾元件的原理和作用,我們設計了下面的習題.

霍爾元件示意圖如圖8,用d表示薄片的厚度,k為霍爾系數,對一個霍爾元件d、k為定值.從兩個極E、F接出兩條導線,與限流電阻及電流計串聯后接到干電池上,調整電阻使通入的電流約10mA,將另一對電極M、N接到多用電表的200mV直流電壓擋上,請分析:

圖8

(1)將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面會看到霍爾電壓UH怎樣變化?用另一個磁極去靠近呢?

(2)改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,霍爾電壓怎樣變化?試解釋發生的現象;

(3)電流方向從E到F,分析M、N哪板電勢高?

通過對習題的分析討論,再結合圖6實驗裝置的演示,很好地突破了本教學中的難點.

電子鳥一類的玩具都用到了光控開關,以此可以很好地提高學生分析電路的能力.設計習題如下.

光控玩具中大部分使用了光敏電阻,兩個光控開關電路如圖9所示.

(1)請分析電路原理;

(2)要想提高光控靈敏度,如何調節R1?

圖9

通過查詢資料和討論學習等方式來了解玩具中的控制原理.分析了幾個題目后,大家還意猶未盡,在課后又自主開展了系列研究性學習活動.

3 開展調查研究,豐富研習課程

應倡導寓學于樂的教育理念,讓學生在課外通過自己的獨立思考和團隊合作培養研究的興趣,提高研究的能力.

同學們起初認為傳感器作為高新科技產品高不可攀,但通過一些光控聲控玩具的接觸和課堂的學習初步了解了傳感器的實質,即將非電學量轉換成電學量的一種元件.他們在研究性學習中便提出了“傳感器在玩具中的應用”課題,針對性地做了調查研究,消除了原來對傳感器的陌生感.通過市場調查,聽取商家介紹,查看電路結構等方式,了解到電子控制類玩具的基本類型,還對各種玩具的受歡迎程度和市場前景做了詳細的調查.

在此基礎上又提出了“傳感器在家用電器上的應用”課題,同學們通過自己的觀察、翻看說明書和同學的討論,作出了詳細的調查報告,如表1所示.

大家發現溫控裝置在電器中運用的最為廣泛;有的電器采用了多種傳感器,集多種自動控制功能于一體.同學們還有列舉了幾種典型實例加以說明.電熨斗內部裝有雙金屬片溫度傳感器,控制電路的通斷;聲控娃娃玩具通過壓電陶瓷將振動信號轉換成電信號,再帶動了電動機轉動和揚聲器發聲;光電靶是用光電槍中的光電管將光信號轉換成電信號輸出等等.

表1

另有一組同學緊緊抓住光控傳感器這一主題,調查了光控玩具的類型、電路原理和使用方法等,又延伸到了生活中其他一些光控電路,比如,電子防炫目汽車后視鏡(圖10),鏡上的光傳感器把光信號傳送給微機,經過信號處理,控制電路會使鏡面變色,以吸收強光,削減強光的反射;同時還調查了駕駛員對這一功能的反饋意見.

圖10

我們鼓勵學生進行研究性學習.通過第二課堂和開放實驗室延伸學生的學習時間,加深對重點、難點的理解和創造性消化吸收.學生利用光敏二極管自制了光控斷電插座,電路圖如圖11所示.按下按鈕,繼電器J1工作使S1開關閉合,燈泡發光.光敏二極管不受強光照射時,555時基電路的輸出端為低電平,繼電器J2的線圈無電流不吸合.當光敏二極管受到強光照射時,電路立即反轉,J2的線圈通電吸合※J2的常閉觸點斷開 ※燈泡熄滅、J1繼電器線圈斷電 ※J1繼電器常開觸點斷開 ※555時基電路斷電.此時只有重新按下按鈕才能繼續亮燈.該電路采用玩具激光筆控制光照,操作簡單易行,提高學生創新能力的同時,也提高了技術素養.

圖11

我們倡導物理教學與我國玩具市場流行產品緊密結合,通過提供大量的經典玩具手冊、經典玩具產品,提高學生的感性認識,激發學生學習興趣和設計靈感,鼓勵學生參加社團組織活動;通過教師指導,培養和提高學生研究問題和解決問題的能力.