利用DIS傳感器 優(yōu)化物理課堂教學(xué)

摘 要：物理課堂中滲透科技教育對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理思維的培養(yǎng)起到了非常重要的作用，傳感器因其能迅速地采集數(shù)據(jù)；便捷地以圖像、表格、擬合公式等多種形式，客觀地展示實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程；形象、直觀地對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論等優(yōu)點(diǎn)，而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中。這對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新型思維的培養(yǎng)起到了積極的作用。本文就傳感器在物理課堂中的應(yīng)用，以兩個(gè)案例展開，課堂中滲透科技教育，可以優(yōu)化物理課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：傳感器 電容器 磁感應(yīng)強(qiáng)度 科技

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）09（c）-0094-02

高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中明確要求：通過(guò)初中課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的過(guò)程有了一定的體驗(yàn)，并具有了初步的科學(xué)探究能力。高中階段的物理課，應(yīng)該在這個(gè)基礎(chǔ)上更加關(guān)注學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程中的學(xué)習(xí)質(zhì)量，對(duì)待科學(xué)的態(tài)度應(yīng)該更加嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)待新知不僅要定性而且要定量。應(yīng)進(jìn)一步加深對(duì)科學(xué)探究的理解，提高科學(xué)探究的能力。

案例一：

高中物理選修3-1中《電容器的電容》這節(jié)內(nèi)容，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材的不同，帶來(lái)本節(jié)課不同的教學(xué)設(shè)計(jì)。

方案1：

本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)：電容器的存儲(chǔ)電量的本領(lǐng)大小怎樣定義？

教師直接展示：“充電后電容器的兩極板間有電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差跟電容器所帶的電荷量有關(guān)。”“一個(gè)電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U成正比，比值Q/U是一個(gè)常量。但不同的電容器，這個(gè)比值一般是不同的，可見，這個(gè)比值表征了電容器儲(chǔ)存電荷的特性。”

學(xué)生：在底下做筆記抄下，但是表情茫然，并有一些學(xué)生小聲議論，但是教師很快進(jìn)入下一環(huán)節(jié)教學(xué)。

課后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生存在以下三個(gè)問(wèn)題：

（1）教材根據(jù)“實(shí)驗(yàn)表明”，是根據(jù)哪個(gè)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論的。

（2）自己沒(méi)有做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不能信服。

（3）用類比水容器來(lái)理解電容器的電容，還是不能很好理解電容的概念。學(xué)生覺得這節(jié)課很難學(xué)。

方案2：

利用傳感器系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢(shì)，就可以順利完成本節(jié)課的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。利用電流傳感器測(cè)量放電電流隨時(shí)間的變化，并作出放電電流隨時(shí)間變化圖象（見圖1），其中放電電流圖線與橫軸之間所圍的面積就是放電電量，即電容器的帶電量。再利用電壓傳感器可以測(cè)得電容器的充電壓。對(duì)于不同的充電電壓，比較電容器所帶電量和充電壓的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)電路主要由充電電路和放電電路兩部分組成（見圖2），通過(guò)單刀雙擲開關(guān)控制選擇：打到1，對(duì)電容器進(jìn)行充電，其充電電壓可以通過(guò)分壓電路進(jìn)行控制，并由電壓傳感器測(cè)出。待充電結(jié)束后，打到2，電容器開始放電，其放電過(guò)程通過(guò)電流傳感器實(shí)時(shí)采集，并直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)“其它處理”按鈕中的“積分”功能，可以很快得到圖線所圍面積，該面積即為電容器充電結(jié)束時(shí)的帶電量，即電容器的帶電量Q（見圖3）。

通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值，調(diào)整電容器的充電電壓，重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)，將測(cè)得數(shù)據(jù)填入表格，得到表格1。讓學(xué)生分析表格中數(shù)據(jù)，思考電量和電壓有怎樣的關(guān)系：正比、反比、一次方還是二次方。利用傳感器系統(tǒng)內(nèi)部繪圖功能，以電壓為橫軸，以電量為縱軸，進(jìn)行描點(diǎn)，再利用圖線擬合功能，得到一條過(guò)原點(diǎn)的直線。可以得出同一個(gè)電容器所帶電量和電容器的充電電壓成正比的結(jié)論（見表1）。

因傳感器處理數(shù)據(jù)非常快，本節(jié)課中還可以多選幾個(gè)不同電容值的電容器重做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，都可以得出相同的關(guān)系。學(xué)生總結(jié)歸納圖像的意義：不同電容器的這個(gè)比值不同，同一個(gè)電容器的比值相同。就用這個(gè)比值來(lái)定義電容器存儲(chǔ)電量的本領(lǐng)大小。

案例二：

高中物理選修3-1中“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這個(gè)物理概念是電磁學(xué)的核心概念，它對(duì)以后的磁場(chǎng)學(xué)習(xí)起到關(guān)鍵作用，但對(duì)這個(gè)概念的理解也有兩種不同的教學(xué)方法。

方案1：

在傳統(tǒng)授課時(shí)，對(duì)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這個(gè)概念的建立，歷來(lái)是定性敘述的基礎(chǔ)上，得出B=F/IL。從教學(xué)的層面看，這樣處理不僅學(xué)生感到茫然，教師也特別別扭。因?yàn)樵诮㈦妶?chǎng)強(qiáng)度的概念時(shí)，我們就經(jīng)歷了這樣的尷尬……的比值是一個(gè)定值，這個(gè)比值真的是一個(gè)定值嗎？學(xué)生很難信服。

方案2：

學(xué)生的疑惑在于B=F/IL是否真是一個(gè)定值，基于此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)線框在磁場(chǎng)中的垂直放置，利用力傳感器測(cè)出F，再利用電流傳感器測(cè)出電流I，同時(shí)測(cè)出長(zhǎng)度L，利用控制變量法的思維，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中制作表格（見表2），然后利用傳感器系統(tǒng)內(nèi)部繪圖功能，以IL為橫軸，以F為縱軸，進(jìn)行描點(diǎn)，再利用圖線擬合功能，得到一條過(guò)原點(diǎn)的直線。可以得出在同一個(gè)位置磁感應(yīng)強(qiáng)度B是一個(gè)定值，與電流和受到的力的大小無(wú)關(guān)。而且數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，本身也是學(xué)習(xí)的一個(gè)體驗(yàn)過(guò)程。能夠很好的突破三維目標(biāo)（見圖4）。

對(duì)傳感器滲透物理課堂的思考。

從教育的層面看，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過(guò)程中，所經(jīng)歷的艱辛和富有創(chuàng)造性的研究智慧，在后人的學(xué)習(xí)過(guò)程中被人為的忽略了，學(xué)生只是被動(dòng)的接受知識(shí)，而無(wú)法再感悟科學(xué)家創(chuàng)造性工作的同時(shí)也收到了思維的激蕩。要改變這種被動(dòng)的局面，關(guān)鍵問(wèn)題就是要將一些傳統(tǒng)器材無(wú)法定量做到的實(shí)驗(yàn)，利用現(xiàn)代科技技術(shù)變成易于測(cè)量，易于定量計(jì)算分析和統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，只有這樣才能讓學(xué)生有所獲，而且在這個(gè)過(guò)程中無(wú)形中強(qiáng)化了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的思維能力，使“懷疑”變成了“信服”。

兩個(gè)案例的《方案2》中充分利用了傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快、讀數(shù)精度高和數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)總結(jié)歸納出結(jié)論。不再是被動(dòng)的接受，而是主動(dòng)習(xí)得，學(xué)生普遍反映對(duì)電容器的電容理解起來(lái)較容易。并且學(xué)生對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大功能充滿興趣，為學(xué)生掌握傳感器實(shí)驗(yàn)工具和利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。

傳感器實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是明顯的，為這兩節(jié)課探究方案的實(shí)現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用，傳感器實(shí)驗(yàn)為教師的教和學(xué)生的學(xué)的優(yōu)化起到極大的作用。

1 學(xué)生學(xué)習(xí)方式得到了優(yōu)化

學(xué)生由被動(dòng)地接受知識(shí)，變?yōu)橹鲃?dòng)地探究知識(shí)形成過(guò)程，符合學(xué)生思維發(fā)展的規(guī)律。傳感器實(shí)驗(yàn)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地采集實(shí)驗(yàn)信息，能全面而準(zhǔn)確地把握實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，使物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或者驗(yàn)證更具有嚴(yán)謹(jǐn)性和可信度。同時(shí)，傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)使教師能夠創(chuàng)造性地教帶動(dòng)學(xué)生創(chuàng)造性地學(xué)。學(xué)生可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備最大限度地向傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和權(quán)威挑戰(zhàn)，利用傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注周圍事物，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和廣度得到了拓展

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜和數(shù)據(jù)處理繁瑣在一定程度上對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展構(gòu)成了障礙，限制了學(xué)生鉆研的深度和廣度。而傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，為學(xué)生深入研究問(wèn)題提供了可能。同時(shí)，傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)量精確快速、操作簡(jiǎn)便靈活，圖形處理功能強(qiáng)大，使得學(xué)生擺脫了繁瑣的計(jì)算過(guò)程，學(xué)生能夠比較容易發(fā)現(xiàn)或者驗(yàn)證各種數(shù)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。從而將更多的時(shí)間、精力用于研究和掌握物理學(xué)中的規(guī)律。尤其在利用傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，很多實(shí)驗(yàn)可以由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、選材、完成，從而培養(yǎng)了學(xué)生探究的意識(shí)和創(chuàng)新的能力。

3 學(xué)生學(xué)習(xí)的能力得到了提高

傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生為本，在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力上發(fā)揮著重要的作用，有效地培養(yǎng)學(xué)生數(shù)形結(jié)合、歸納總結(jié)的能力；培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及合作學(xué)習(xí)的意識(shí)以及創(chuàng)新能力；培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手觀察，大膽聯(lián)想和合理猜測(cè)的能力；也培養(yǎng)了學(xué)生正確選擇、使用實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)操作的能力。

4 教師的教學(xué)手段得到了豐富

傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能為教師拓展更為豐富的教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)的靈活性；教師可以創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)教學(xué)素材和教學(xué)方法，激起學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣；教師還可以突破時(shí)空的限制，為學(xué)生在課外合作學(xué)習(xí)提供探究的平臺(tái)；利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教師可以更加規(guī)范和高效的進(jìn)行課堂教學(xué)，嚴(yán)謹(jǐn)有序的開展學(xué)科實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)，也為教師的專業(yè)化發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐和真實(shí)有效的素材。同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生開展課題研究和研究性學(xué)習(xí)提供平臺(tái)和活動(dòng)空間。

5 結(jié)語(yǔ)

電容器的電容，磁感應(yīng)強(qiáng)度是物理教學(xué)中的重要概念，諸如此類的知識(shí)還有很多，傳感器能采集各種物理數(shù)據(jù)，具有便攜、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、綜合、直觀、定量等突出的特點(diǎn)。并且能夠采集分析大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，支持學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中定量測(cè)量，特別是傳統(tǒng)器材無(wú)法測(cè)量的量和現(xiàn)象，且能關(guān)注量的變化，從而學(xué)會(huì)分析和理解數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的物理原理，深化學(xué)生對(duì)物理變化的理解。課堂教學(xué)中，要發(fā)揮好老師的主導(dǎo)地位，努力保證學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生在潛移默化中接受到科技創(chuàng)新的教育，在親身經(jīng)歷中提高分析問(wèn)題的能力，享受學(xué)習(xí)的快樂(lè)。

參考文獻(xiàn)

[1]高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]傅可欽.DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2009（11）：36-38.

[3]馬如宇，卓敏.DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（8）：36-38.

[4]教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)[Z].2013.