傳感技術在初中科學實驗教學中的應用

劉 寧

(浙江省寧波市江北中學 315020)

隨著基礎教育儀器的開發，傳感技術已經走進基礎教育領域，并且逐漸顯示出它的特點與優勢，越來越受到教育界的關注.從上世紀80年代開始，傳感技術就在發達國家的中學理科教學中得到了廣泛應用.近幾年，我國北京、浙江、廣東、上海等地的一些中學也已經開始應用這項技術進行教學，并且開設了有關的校本課程.

一、基于傳感技術的初中科學實驗系統的組成

基于傳感技術的初中科學實驗系統是由傳感器、數據采集器、配套軟件和計算機組成的.

1. 傳感器

傳感器可把各種物理量和化學量精確地變換為電信號，它是數字化實驗的核心.適用于初中科學實驗的傳感器有溫度傳感器、pH傳感器、濕度傳感器、壓強傳感器、磁感應強度傳感器、溶解氧傳感器、CO2傳感器等.

2. 數據采集器

數據采集器主要用來實時采集傳感器檢測的實驗數據并傳輸給計算機，它是傳感器與計算機的轉換器.

3. 計算機及其內部配套軟件

將數據采集器與計算機連接后，即可用實驗數據處理系統軟件對由傳感器傳遞的數據進行分析處理.調用預先設計好的實驗模板，可以便捷地對數據采集器進行操作，以數字、曲線等多種形式顯示實驗數據，并對數據結果進行分析、推測.

二、傳感技術在實驗教學中的優越性

傳感技術既是常規實驗工具的有益補充，又為初中實驗教學尤其是探究性實驗教學開辟了新的途徑.

1．直觀性

常規實驗方法記錄的實驗數據有表現形式單一、不直觀的缺點.基于傳感技術的科學實驗可以改變這種狀況，它不但可以檢測反應過程中許多實驗現象或參數的微弱變化，而且還能將整個反應過程以圖像、數字、表格、視頻等多種形式動態、直觀地顯示出來.

2．定量性

傳感技術的最大的特點就是將實驗結果數字化，不僅能從量的角度說明傳統定性實驗的結論，也可以利用數據處理向導使定量實驗得到比較精確的結果，使一些傳統定性的實驗得到定量化研究，有利于培養學生的定量研究意識和能力.

3．簡易性

傳感實驗儀器的便攜性使科學實驗不僅能在實驗室進行，還可以在其他場所隨時進行，儀器會自動記錄實驗過程中的數據變化，對實驗結果進行分析處理.利用傳感技術可以將課堂中的一些裝置復雜、難以成功的實驗簡易化，提高教師和學生對實驗的積極性.

三、傳感技術在初中科學實驗教學中的應用

隨著新課程改革的深入，傳感技術將成為初中科學教學和研究性學習活動中的一種數字化定量實驗手段，以下是傳感技術在初中科學實驗教學中的應用實例.

1．用電壓傳感器比較不同水果電池的電壓

該實驗出自華師大版《科學》教材八年級下冊第四章第3節“電流和電壓”.課堂中常用小燈泡的明暗程度判斷水果電池電壓的大小，但這些方法只能定性地對結果做出大致判斷，對某些微小的差異無法分辨，這使實驗內容有局限性，一定程度上限制了學生的進一步探究.

利用電壓傳感器來進行此實驗，整套實驗裝置由電壓傳感器、數據采集器、計算機和不同的水果(包括蘋果、柑桔、檸檬、番茄、西瓜等)電池組成(如圖所示).

連接好裝置后打開實驗模板進行數據采集.實驗過程中有關數據、信息和圖形均會顯示在可視化界面上，實驗結束后可將全部數據形成文本文件保存.根據實驗數據，學生可以準確、定量地比較各種水果的電壓大小.

由于水果的種類、電極的材料、電極插入深度、電極之間的距離、水果的狀態等都可能會影響水果電池的電壓，教師可以引導學生自主設計新的實驗對課題進行更深入的探究.

將傳感技術應用于“水果電池”的實驗中，不但可以定量地比較不同的水果電池產生電壓的大小，而且還能探究其它各種可能影響水果電池電壓的因素，進而拓展了實驗的探究內容，培養學生善于思考的能力以及主動探索的創新意識.此外，電壓傳感器還可應用于探究串聯電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關系、探究影響導體電阻大小的因素等實驗中.

2．用電流傳感器研究電磁感應現象

本實驗出自華師大版《科學》教材八年級下冊第五章第3節“電磁感應”，教材中用靈敏電流計研究感應電流產生的條件，并判斷感應電流的方向與哪些因素有關.在實際操作中發現：有時感應電流較小，靈敏電流計指針偏轉不明顯；由于靈敏電流計指針偏轉快，很難讀出電流值，限制了進一步的實驗探究.

將傳感技術應用于此實驗中，整套實驗裝置由電流傳感器、數據采集器、電腦、線圈、蹄形磁鐵組成.連接好裝置后打開實驗模板進行數據采集，實驗過程中有關數據、信息和圖形均會顯示在電腦屏幕上(如圖所示).根據圖像，學生可以精確、定量地判斷感應電流的大小和方向.

由于感應電流的大小與導線切割的速度大小、導線切割的速度方向、永磁體的強度、切割導線的條數、切割導線的有效長度等因素有關，教師可以引導學生自主設計新的實驗開展相關因素的探究活動.

將傳感技術應用于“感應電流的產生”的實驗中，不但可以精確地測量電路中的感應電流，判斷感應電流產生的條件和影響感應電流方向的因素，而且還能進一步探究影響感應電流大小的因素.與教材中的實驗相比，新的實驗方法更簡便、直觀、精確，有助于學生進一步探究.此外，電流傳感器還可應用于探究電流與電壓的關系、伏安法測電阻實驗等實驗中.

四、展望

科學課程以提高學生的科學素養為宗旨，實驗活動是科學課程實現其教學目標的重要載體.應用傳感技術進行科學實驗是開展初中科學實驗一種新的方式，是一種結合現代分析技術的實驗手段，也是近些年來實驗改革發展的新方向.筆者設計了一系列的基于傳感技術的初中科學實驗，如用力傳感器研究摩擦現象；用二氧化碳傳感器研究植物的光合作用、種子萌發釋放CO2；用溶解氧傳感器研究氧氣溶解度和溫度的關系；用溫度傳感器研究熔化和凝固現象、物質溶解過程中能量的變化等；用濕度傳感器研究植物的蒸騰作用等實驗，并將這些實驗應用于實驗教學中，引起了學生極大的興趣.筆者希望基于傳感技術的科學實驗能對初中科學實驗教學的改革起到積極的作用.