傳感器在高中物理實驗教學中的應用

【摘 要】實驗教學是高中物理教學中的重要組成部分。物理實驗不僅能夠讓學生對理論知識的掌握和應用更加透徹，同時也能增強學生的動手能力、協調能力。將傳感器應用于高中物理實驗教學，是信息技術與物理課程融合的體現，也是現代教育的發展趨勢，能以更輕松快捷的方式讓學生更直觀地觀察實驗過程。本文從傳感器在高中物理實驗教學中的作用及應用展開分析探討，以期為廣大高中物理教師提供參考。

【關鍵詞】傳感器;高中物理;實驗教學;應用

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2021）22-0017-02

新課改背景下，物理學習對物理實驗的要求越來越高，強調要讓學生真正接觸實驗，并從中學會知識的應用。因此，信息技術越來越多地被運用到實驗教學中，尤其是傳感器。傳感器能展示教師無法親自演示的實驗，也可以減少實驗的誤差。同時，傳感器的使用能讓學生獲得更好的實踐體驗，提升學生的綜合素質。

1? ?傳感器概述

隨著社會和科學技術的發展，教育事業也在時代浪潮中不斷改革和發展，傳感器是信息時代的產物，是現代教學體系中的一種教學工具。將其應用在高中物理實驗教學中，能夠將物理量和化學量轉變成電信號的形式，直觀形象地在傳感器上顯示[1]。

如應用傳感器開展高中實驗教學時，可以捕捉位移、壓力、溫度或是電壓、電流等，并且將其放大，直觀展示在傳感器儀器上，方便學生觀察，有利于物理教師順利開展教學工作。

2? ?傳感器應用于高中物理實驗教學的優勢

2.1? 使實驗過程直觀可視

在傳統教學模式下的物理學習中，有些實驗過程不能夠直觀地展現出來，教師往往采用口頭講解，或者借助多媒體設備進行動畫演示。對學生而言，理解這些實驗就要借助理解力與想象力，在腦海中想象實驗過程，但這樣的教學無法保證學生充分理解相關知識。教師運用傳感器開展實驗教學，能使實驗過程可視化，能讓學生直觀地看到實驗現象，能計算、分析并展示實驗數據及整體趨勢和變化，這有助于學生理解理論知識與抽象概念[2]。

如在“磁場”這一章的教學中，磁現象與磁場可以通過磁鐵粉末的變化展現，但是沒有合適的方式展示磁感應強度的大小。這時如果運用傳感器，就能夠簡單便捷地測量磁感應強度，并且顯示出每一個位置的具體磁感應強度大小，還能夠得到整體分布圖像。教師首先需要準備磁感應傳感器、計算機以及配套軟件，將傳感器的測量頭深入到預先準備好的通電線圈內部，在線圈內部將傳感器的測量頭移動到不同位置，就可以通過傳感器讀取不同地方相應的磁感應強度，并由計算機將不同位置的磁感應強度記錄下來形成圖像。由此，學生可以從計算機圖像中清晰明了地看到通電線圈內部的磁感應強度分布中間部位磁感應強度是最大的，兩邊逐漸減弱，這樣學生就能對磁感應強度有更深入的了解。

2.2? 能夠抓住瞬態現象，便于學生觀察

在目前的高中物理實驗教學中，由于班級學生人數較多，教師通常在講臺上演示實驗，講解實驗步驟與需要記錄的數據。然而在很多物理實驗中，雖然實驗現象明顯，但持續時間很短，轉瞬即逝。教師難以定格實驗重點現象出現的瞬間，也很難保證全班學生都能夠在實驗現象出現的瞬間捕捉到它。如果教師一直重復演示實驗，追求重現實驗現象，以達到更好的講解效果，就會浪費大量的課堂時間，降低教學效率，無法實現新課改對高效課堂的要求。同時，對于學生而言，一味重復觀看教師的實驗演示容易降低其對物理學習的興趣。這時，如果利用傳感器與計算機，就能輕松定格實驗現象，教師擁有更多講解時間，學生也擁有更多觀察和分析實驗現象的時間[3]。

如進行牛頓第三定律相關實驗時，首先要讓學生掌握作用力與反作用力之間產生、變化以及消失的相互關系。很多教師采用傳統的實驗方式，用兩個彈簧秤彼此掛鉤牽連，二者在某一瞬間彈開，通過指針的變化向學生證明和講解作用力和反作用力的相互性。但是在實際教學中，由于教室較大，學生較多，只有前排的學生能看清小小的儀表盤上指針的變化。加之彈開瞬間指針變化速度極快，學生難以得到正確讀數，實驗難以取得良好的教學效果。另外，彈簧秤指針的無規律震動可能會讓學生對所要學習的作用力與反作用力概念及特征產生混淆，不利于學生理解這部分知識。此時，最好的方法是教師準備力學傳感器，將一個傳感器固定，再將其與另一個傳感器掛鉤相連，并沿水平方向反復拉動，連到計算機上的兩個傳感器都會有讀數，然后計算機自動繪制形成力的變化曲線，這樣可以讓學生直觀地從傳感器讀數和力變化圖表中看到作用力和反作用力是相互的一對平衡力，并理解它們大小相等、方向相反等特征，從而快速理解和掌握這部分教學內容。

2.3? 放大微觀現象，讓學生深刻感知現象

在教學“物體的形變”“彈性形變與范性范圍”時，學生會對不明顯的現象產生疑惑。如用手指按桌面時，桌面并沒有產生形變，與所學知識相悖。實際上，這是因為桌子的形變過于微小，用肉眼難以觀察到。這時教師可應用傳感器，將傳感器的探頭放在桌子表面，通過探頭感測到用手按桌子時桌子表面的微小的波動，再借助傳感器放大，顯示在計算機上，讓學生直觀地看到桌子表面的形變。同樣，教學電流相關實驗時也可采用相同的方法。由于燈泡顯示亮度的變化不是特別明顯，所以學生可能會以為沒有變化，但通過傳感器就能夠把這一現象放大，從而讓學生清晰地觀察到現象。

2.4? 增加學生自主思考和實踐的機會

傳感器的使用能夠有效增加學生自主思考和實踐的機會。在傳統的實驗教學模式中，學生更多地是用眼睛看教師的實驗演示，自己動手實踐的機會比較少，沒有充足時間讓學生自主探索實驗的內涵與本質。應用傳感器之后，學生進行一輪實驗所需要的時間減少，實驗效率提高，可以在有限時間內盡可能多地通過改變數據得到不同的實驗結果。學生不僅可以對實驗本身進行探討，還可以有更多精力和機會縱向比較不同數據對實驗結果的影響，從而在傳感器的幫助下對實驗產生更大的興趣與鉆研的熱情，有利于提升自主思考的能力。

2.5? 減少實驗誤差，提升數據采集的準確率

傳統實驗過程中，學生往往通過人工讀數記錄數據，再進行數據處理。人工讀數不僅讀數慢、效率低下，而且很容易出現誤讀、漏讀現象，難以獲得科學、準確的實驗結果。而傳感器一般與計算機和軟件配套使用，在實驗過程中，所有數據的采集可以直接通過這一套設備完成。同時，計算機還可以進行數據運算，利用Excel表格直接得到結果，為學生提供初步處理過的數據，直接顯示實驗圖像。傳感器及相關設備能簡化學生的數據處理過程，為學生節省大量時間，讓學生能夠有更多的精力用于數據的分析以及探究，驗證實驗結果與理論知識的匹配程度，增強學生在物理實驗中的自主性。此外，計算機相對人工讀數與處理而言更加精確，能夠有效減少實驗誤差，提高數據采集的準確率，由此提高實驗成功的概率。

3? ?傳感器應用于高中物理實驗教學中的注意事項

3.1? 學生必須掌握使用方法

在學生使用傳感器之前，教師必須讓學生掌握傳感器、計算機及配套軟件的使用方法。雖然計算機與傳感器的使用沒有化學實驗中試劑的使用那么危險，但是出現重大實驗錯誤容易損壞設備，影響實驗教學的有效開展。同時，在課堂中出現重大問題也容易擾亂課堂秩序，破壞教學節奏。所以，教師在學生使用傳感器進行物理實驗前，一定要為學生講解設備的正確使用方法，并且確保學生準確掌握。教師可以通過小組成員互查、模擬實驗流程等方式考查學生，確保學生能夠獨立、規范、正確地使用傳感器進行實驗。

3.2? 教師時刻關注，及時糾正錯誤

在學生獨立使用傳感器進行實驗的過程中，教師要時刻關注學生的表現，對出現明顯實驗錯誤的學生，教師要及時給予指導，糾正錯誤，幫助學生順利完成實驗;對完成得比較好的學生，教師可以給予肯定和表揚，并且讓其在全班分享自己使用傳感器的經驗以及技巧。此外，教師還要維持課堂秩序，確保學生只將計算機和傳感器等設備應用于實驗過程，而不是用于其他方面，避免學生偏離實驗學習的重點和方向。

總之，物理是高中階段學習的重難點，物理實驗是物理教學中的重要組成部分。將傳感器應用于高中物理實驗教學，與傳統的實驗教學方式相比具有很多優勢，這是一種教學手段的進步，也是新課程改革、教學模式創新的必然趨勢。教師應當合理應用傳感器，提升學生的物理實驗技能，培養學生的創新精神和實踐能力，從實際實驗教學需求出發，選擇合適的傳感器及配套設備，綜合設計實驗過程，讓傳感器更好地發揮作用，達到最佳物理實驗教學效果。

【參考文獻】

[1]張圣羽.基于Arduino的高中物理傳感器實驗教學研究[J].實驗室科學，2020（2）.

[2]趙春博.數字化傳感器在高中物理實驗中的應用研究[J].數理化解題研究，2018（3）.

[3]楊光明.傳感器在實驗中可視化應用的案例分析[J].新教育，2020（4）.

【作者簡介】

趙瑞（1978～），女，漢族，安徽宿州人，本科，中學一級教師。研究方向：高中物理教育。