巧用數字傳感器突破力學實驗難點

彭娟

小學科學力學內容中有很多以探究實驗為主的課，這些探究實驗學生需要采集很多數據，依據真實的數據進行分析，得出相應結論。近年來，越來越多的教師把數字傳感器引入課堂，融入教學，在解決傳統課堂難題的同時，培養學生采集數據、分析數據的能力。

采集、分析數據更精確

對許多學生來說，力學是小學科學最難理解的內容之一。傳統教學中，通常使用的測力工具是彈簧測力計，但很多彈簧測力計使用一段時間后，彈簧松緊不一，使用這種不精確的實驗儀器，會造成實驗數據出現錯誤。如“運用測力計測量物體運動時所受到的摩擦力”實驗中，相同條件下，有的小組是2牛，有的是3牛。仔細對比兩個組的測力計，發現其中一個測力計的彈簧在空載情況下已經無法歸零。如果沒有新器材及時更換，實驗準確率就無法保證了。

《運動與摩擦力》一課的重點是通過實驗研究影響摩擦力大小的因素，傳統的實驗方法是用測力計拉動小木塊在木板上做勻速直線運動，學生一邊拉動木塊一邊讀取測力計的示數。

保持物體做勻速直線運動以及在運動過程中準確讀數，這是學生完成實驗的兩大難點。因為學生在實際操作時，彈簧常出現一伸一縮的現象，很難判斷物體是否處于勻速運動狀態。有時則因為物體勻速運動時間太短，來不及讀數。測力計讀數不準、數據采集偏差大、實驗操作煩瑣等問題，導致實驗結果準確率低，直接影響學生科學探究的積極性。即使利用勉強獲得的數據，得出相應規律，也不利于學生實驗過程中科學嚴謹態度的培養。

類似的實驗，還有《斜面的作用》一課中研究小車重量與拉力大小的關系及研究坡度與拉力大小的關系，實驗時學生需要通過測力計把小車勻速拉上斜面，記錄拉力的數據，分析這些數據的不同，得出相應結論。

使用力傳感器開展實驗，就可以很好地彌補這一缺陷。我們用雙量程力傳感器代替彈簧測力計， 采用數據采集器的曲線模式記錄拉力的大小（如圖1）。數據采集器有自動采集數據的功能，采集頻率很高，可以實時記錄力的大小變化。

圖2左邊的曲線呈波浪形，說明力的大小是變化的，小車的運動不是勻速運動。圖2中間的曲線平緩，說明小車做的是勻速運動。實驗中，學生只需要通過觀察曲線的形狀，就能判斷出小車是否在做勻速運動，他們可以多次重復實驗，直到發現曲線平緩。具體分析數據時，我們可以選取其中最平緩的一段（如圖2右），利用采集器中的程序求出相關數據，得出平均值，這樣得到物體勻速運動時的摩擦力數值，是較為準確的實驗數據。

實驗過程中，數據采集器的曲線使力的大小變化可視化，學生原本只能憑感覺判斷的勻速運動，現在可以通過直觀的曲線判定，并從中選出物體勻速運動時的數據進行分析。數字傳感器的使用極大地調動了學生的興趣，也讓實驗變得更加嚴謹，實驗操作獲得數據的時間大大縮短，他們有更多時間來分析數據。

使用曲線圖還能體現力的變化規律。在木塊上每增加一個鉤碼，力就增大一些，曲線呈現階梯式上升（如圖3）。證明壓力越大，摩擦力越大的猜想是正確的。

采集、分析數據更及時

《我們的小纜車》一課中，學生需要通過探究不同數量的墊圈重力不同，產生不同大小的拉力，導致小車運動的快慢不同。傳統的實驗是用秒表記錄小車運動相同距離所用的時間，而實際操作中，由于小車運動速度太快、學生按秒表反應太慢等原因，無法準確記錄到運動時間——難操作、易犯錯、數據誤差大，這是傳統實驗的短板。

五年級的學生對測速儀有所了解，在課堂上我鼓勵他們運用光電門傳感器在實驗中親自測試小車的速度，讓他們體會科學與生活的緊密聯系。實驗前，先在數據采集器中設定好黑塑料桿（終點線）的直徑，光電門傳感器采集到紅光被擋的時間，利用采集器中現有程序直接得到小車通過時的速度。

實驗操作過程中，學生不再擔心因小車速度過快、秒表按得不及時得不到實驗數據。輕松的實驗操作，提高了學生的實驗興趣。光電門傳感器提供了具體的數據來定量小車的速度，學生快速分析比較出小車的快慢，兩種實驗方法的不同見表1。

（本文是廣東省教育科學十二五規劃課題《基于數字化探究的小學科學素養教育研究》及廣州市小學科學雷曉暉名師工作室研究成果。）