對(duì)“傳感器類科學(xué)玩具”課程化的研究
——科學(xué)玩具物理教育功能開發(fā)和研究系列八

王丹鳳

(義烏中學(xué) 浙江義烏 322000)

隨著新款玩具的不斷開發(fā)和設(shè)計(jì),市場(chǎng)上越來(lái)越多地出現(xiàn)了高新科技類玩具產(chǎn)品,比如聲控恐龍、光控娃娃、遙控飛機(jī)、機(jī)器人等,不僅能給使用者帶來(lái)樂趣,更有助于激發(fā)求知欲望,開發(fā)兒童智力.

聲控恐龍形態(tài)逼真、反應(yīng)靈敏、表情豐富,還具有逼真的聲音和多姿的動(dòng)作,通過(guò)指令可以踱步前進(jìn),頭部可以大幅度上下左右擺動(dòng)、張開大口發(fā)出咆哮、嚎叫,會(huì)介紹自己的身世、習(xí)性等.它融知識(shí)性、趣味性、教育性于一體,使玩者愛不釋手.這樣孩子們?cè)谕嫠５耐瑫r(shí),開發(fā)智力、增加見識(shí)、學(xué)到知識(shí).

電子鳥羽毛鮮艷、形態(tài)逼真,放置在形狀各異的盒子里,打開盒蓋時(shí),它就會(huì)“啾啾”地叫個(gè)不停,聲音婉轉(zhuǎn),非常可愛;當(dāng)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(tái)上,在晚上臨睡前合上電源開關(guān),第二天清晨,鳥鳴器便會(huì)自動(dòng)發(fā)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(dá)到電路自動(dòng)控制的目的,大致有光控、聲控、磁控、振動(dòng)控制、紅外線控制等.這為中學(xué)物理教學(xué)提供了豐富的教育資源,可在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)上起到積極作用.

1 玩具走進(jìn)課堂,滲透STS教育

19世紀(jì)英國(guó)著名的教育家斯賓塞說(shuō):“教學(xué)是為了完美的生活.”陶行知說(shuō):“生活即教學(xué)”.《課程標(biāo)準(zhǔn)》將“傳感器”列為《選修3-2》模塊的二級(jí)主題,也正集中體現(xiàn)了對(duì)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)相互關(guān)系的關(guān)注.正是有了傳感器,現(xiàn)代信息技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)化控制.“傳感器”這個(gè)主題富有濃厚的時(shí)代氣息,在教學(xué)中更應(yīng)不失時(shí)機(jī)地加以滲透.在“傳感器及其工作原理”的教學(xué)過(guò)程中,筆者課前先把一個(gè)光控玩具(圖1)掛在門口.當(dāng)有人走進(jìn)來(lái)時(shí),它會(huì)很熱情地說(shuō)“歡迎光臨”.雖然以前在一些商店門口經(jīng)常見到,但突然出現(xiàn)在課堂上,還是引起了同學(xué)們強(qiáng)烈的好奇與關(guān)注.緊接著,又拿出玩具貓頭鷹放在講臺(tái)上,用電筒光去照射它時(shí),它嚇得跑開了,跑了半圈后又自動(dòng)停下來(lái);等再把光照到它臉上,它又會(huì)跑半圈,很好地模擬了貓頭鷹怕見陽(yáng)光通常在夜間活動(dòng)的特性.同學(xué)們似乎馬上就領(lǐng)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(shuō)話;如果猛烈地把它摔倒,它會(huì)哭著喊救命,一下子讓課堂氣氛高漲到了極點(diǎn).體會(huì)了玩的樂趣后,學(xué)生陸續(xù)開始提出這樣一個(gè)核心問題:誰(shuí)在指揮著它?通過(guò)大家的討論慢慢把矛頭轉(zhuǎn)向了內(nèi)部藏有的震動(dòng)感應(yīng)器.通過(guò)這些實(shí)物來(lái)理解“傳感器”概念,初步了解傳感器的基本功能.

緊接著,帶領(lǐng)同學(xué)們探究?jī)蓚€(gè)問題.

(2)光傳感器在生活中還能有哪些應(yīng)用?

為了能讓學(xué)生更好地理解電路原理,我們提供給每組學(xué)生光敏二極管和發(fā)光二極管各一只、干電池二節(jié)、導(dǎo)線、開關(guān)等.先讓學(xué)生認(rèn)識(shí)光敏電阻,然后如圖2所示連接電路.當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)就能看見二極管發(fā)光;當(dāng)用手或者黑布遮蓋光敏電阻時(shí),發(fā)光二極管變暗.有幾組同學(xué)還在線路中串聯(lián)上生日賀卡的音樂片,玩得很有趣.學(xué)生通過(guò)動(dòng)手制作簡(jiǎn)單的光控電路來(lái)深入了解光敏電阻的特性.

圖2

對(duì)于光傳感器的應(yīng)用,同學(xué)除了說(shuō)到晨鳴鳥和怕光貓頭鷹等玩具外,還說(shuō)到了光控大門,電路結(jié)構(gòu)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(dòng)大門的電動(dòng)機(jī)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(shí),電路導(dǎo)通,使干簧繼電器接通電動(dòng)機(jī)電路,電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大門打開.由此將該原理推廣,將電動(dòng)機(jī)裝在玩具貓頭鷹中,就做成會(huì)走動(dòng)的怕光貓頭鷹.將電動(dòng)機(jī)換成蜂鳴器,就做成一個(gè)晨鳴電子鳥了.讓學(xué)生舉一反三.說(shuō)明工作原理后,我再拿出實(shí)物電路進(jìn)行演示,不僅了解了光傳感器,知道了電路的結(jié)構(gòu)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(xué)又列舉了生活中火災(zāi)報(bào)警器,此時(shí)我不失時(shí)機(jī)地提出了火災(zāi)報(bào)警器的兩種典型類型:溫度火災(zāi)報(bào)警器和煙霧火災(zāi)報(bào)警器.圖4是煙霧散射式火災(zāi)報(bào)警器,帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.正常時(shí),光電三極管收不到LED發(fā)出的光,呈現(xiàn)高電阻狀態(tài).當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)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(cè)出這種變化,就會(huì)發(fā)出警報(bào);而溫度火災(zāi)報(bào)警器采用的是熱敏電阻Rt(圖5).低溫時(shí)電阻值很大;高溫時(shí)電阻值急劇減小,由此來(lái)控制電路,結(jié)合簡(jiǎn)單的門電路就能起到報(bào)警作用.與此同時(shí),同學(xué)們又爭(zhēng)先恐后地舉了很多溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例,很好地了解了溫度傳感器在電子電器中的廣泛應(yīng)用.

圖5

霍爾元件對(duì)學(xué)生而言頗為生疏,而實(shí)際上在電子電路中經(jīng)常能見到;例如在一些智能玩具、電動(dòng)自行車的調(diào)速手柄、汽車上測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)”的教學(xué).如圖6所示,將條形磁鐵S極一端靠近元件時(shí),能看到電壓表向右偏轉(zhuǎn),而且小電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)換成N極一端靠近時(shí),電壓表反偏電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn).根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)分析霍爾元件作為磁傳感器的原理,加深對(duì)霍爾效應(yīng)的理解.

圖6

運(yùn)用力、電壓、電流、溫度、聲音、光強(qiáng)等各種傳感器,我們建立了數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端,促進(jìn)了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合.

2 理論聯(lián)系實(shí)際,提高分析和應(yīng)用能力

物理的課堂教學(xué)一直堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際,我們有意識(shí)地加強(qiáng)物理知識(shí)在日常生活中的應(yīng)用,鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力.在傳感器的教學(xué)中,我們圍繞不同類型傳感器作為“自動(dòng)控制開關(guān)”展開討論與分析.

透析患者體內(nèi)存在微炎癥狀態(tài)。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(fù)相關(guān)，提示sTWEAK參與了透析患者微炎癥狀態(tài)的過(guò)程。

圖7

有一種“饞嘴貓”,當(dāng)用食物誘餌靠近它時(shí),貓會(huì)張大嘴巴,兩眼發(fā)光.究其原因,不難發(fā)現(xiàn),電路中利用了一個(gè)干簧管對(duì)貓身的動(dòng)作和燈光起著控制作用(圖7),當(dāng)磁體靠近它時(shí),兩個(gè)簧片被磁化而接通,電路中的燈光和機(jī)械裝置開始動(dòng)作.與此功能類似的霍爾元件在一些玩具和翻蓋手機(jī)中也發(fā)揮著開關(guān)的作用,而且還能測(cè)量電流、電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)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?cè)O(shè)計(jì)了下面的習(xí)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(shù),對(duì)一個(gè)霍爾元件d、k為定值.從兩個(gè)極E、F接出兩條導(dǎo)線,與限流電阻及電流計(jì)串聯(lián)后接到干電池上,調(diào)整電阻使通入的電流約10mA,將另一對(duì)電極M、N接到多用電表的200mV直流電壓擋上,請(qǐng)分析:

圖8

(1)將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面會(huì)看到霍爾電壓UH怎樣變化?用另一個(gè)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(fā)生的現(xiàn)象;

(3)電流方向從E到F,分析M、N哪板電勢(shì)高?

通過(guò)對(duì)習(xí)題的分析討論,再結(jié)合圖6實(shí)驗(yàn)裝置的演示,很好地突破了本教學(xué)中的難點(diǎn).

電子鳥一類的玩具都用到了光控開關(guān),以此可以很好地提高學(xué)生分析電路的能力.設(shè)計(jì)習(xí)題如下.

光控玩具中大部分使用了光敏電阻,兩個(gè)光控開關(guān)電路如圖9所示.

(1)請(qǐng)分析電路原理;

(2)要想提高光控靈敏度,如何調(diào)節(jié)R1?

圖9

通過(guò)查詢資料和討論學(xué)習(xí)等方式來(lái)了解玩具中的控制原理.分析了幾個(gè)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(xué)習(xí)活動(dòng).

3 開展調(diào)查研究,豐富研習(xí)課程

應(yīng)倡導(dǎo)寓學(xué)于樂的教育理念,讓學(xué)生在課外通過(guò)自己的獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作培養(yǎng)研究的興趣,提高研究的能力.

同學(xué)們起初認(rèn)為傳感器作為高新科技產(chǎn)品高不可攀,但通過(guò)一些光控聲控玩具的接觸和課堂的學(xué)習(xí)初步了解了傳感器的實(shí)質(zhì),即將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件.他們?cè)谘芯啃詫W(xué)習(xí)中便提出了“傳感器在玩具中的應(yīng)用”課題,針對(duì)性地做了調(diào)查研究,消除了原來(lái)對(duì)傳感器的陌生感.通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查,聽取商家介紹,查看電路結(jié)構(gòu)等方式,了解到電子控制類玩具的基本類型,還對(duì)各種玩具的受歡迎程度和市場(chǎng)前景做了詳細(xì)的調(diào)查.

在此基礎(chǔ)上又提出了“傳感器在家用電器上的應(yīng)用”課題,同學(xué)們通過(guò)自己的觀察、翻看說(shuō)明書和同學(xué)的討論,作出了詳細(xì)的調(diào)查報(bào)告,如表1所示.

大家發(fā)現(xiàn)溫控裝置在電器中運(yùn)用的最為廣泛;有的電器采用了多種傳感器,集多種自動(dòng)控制功能于一體.同學(xué)們還有列舉了幾種典型實(shí)例加以說(shuō)明.電熨斗內(nèi)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(guò)壓電陶瓷將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再帶動(dòng)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和揚(yáng)聲器發(fā)聲;光電靶是用光電槍中的光電管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出等等.

表1

另有一組同學(xué)緊緊抓住光控傳感器這一主題,調(diào)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(hào)傳送給微機(jī),經(jīng)過(guò)信號(hào)處理,控制電路會(huì)使鏡面變色,以吸收強(qiáng)光,削減強(qiáng)光的反射;同時(shí)還調(diào)查了駕駛員對(duì)這一功能的反饋意見.

圖10

我們鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí).通過(guò)第二課堂和開放實(shí)驗(yàn)室延伸學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間,加深對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)的理解和創(chuàng)造性消化吸收.學(xué)生利用光敏二極管自制了光控?cái)嚯姴遄?電路圖如圖11所示.按下按鈕,繼電器J1工作使S1開關(guān)閉合,燈泡發(fā)光.光敏二極管不受強(qiáng)光照射時(shí),555時(shí)基電路的輸出端為低電平,繼電器J2的線圈無(wú)電流不吸合.當(dāng)光敏二極管受到強(qiáng)光照射時(shí),電路立即反轉(zhuǎn),J2的線圈通電吸合※J2的常閉觸點(diǎn)斷開 ※燈泡熄滅、J1繼電器線圈斷電 ※J1繼電器常開觸點(diǎn)斷開 ※555時(shí)基電路斷電.此時(shí)只有重新按下按鈕才能繼續(xù)亮燈.該電路采用玩具激光筆控制光照,操作簡(jiǎn)單易行,提高學(xué)生創(chuàng)新能力的同時(shí),也提高了技術(shù)素養(yǎng).

圖11

我們倡導(dǎo)物理教學(xué)與我國(guó)玩具市場(chǎng)流行產(chǎn)品緊密結(jié)合,通過(guò)提供大量的經(jīng)典玩具手冊(cè)、經(jīng)典玩具產(chǎn)品,提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計(jì)靈感,鼓勵(lì)學(xué)生參加社團(tuán)組織活動(dòng);通過(guò)教師指導(dǎo),培養(yǎng)和提高學(xué)生研究問題和解決問題的能力.