傳感器及配套軟件在小學科學教學中的應用

王燕君

摘要： 數字傳感器具有精確、智能、方便等優勢。小學科學教師可以合理利用數字傳感器改進傳統實驗，借助智能控制技術降低實驗難度，優化實驗方法，化抽象為具體，用數據證明事實，實現從定性到定量的轉變。實踐證明，教師應用傳感器開展科學實驗探究活動，可以提高實驗教學的有效性。

關鍵詞：傳感器;實驗探究;小學科學教學

在高速發展的數字時代，小學生從小就接觸智能化的學習產品，已經習慣科技帶來的便利和樂趣。科學實驗探究課程的教學需要與時俱進以適應新要求。傳統的實驗教學往往只進行一些簡單的定性描述，缺乏定量分析。傳統實驗模式下器材使用效率低，操作過程復雜，影響學生觀察和思考。此外，由于器材的限制，可探究的內容較少，而小學科學實驗涉及力學、電磁學、聲學等領域，概念抽象，并且存在實驗數據較難獲取或實驗數據誤差較大的問題。為滿足學生的探究需求，一些教師開始應用傳感器等新技術開展實驗教學。筆者所在學校將傳感器引入科學實驗教學，為學生提供了一個自主探索的平臺，不僅支持學生的課內探究實驗，而且助力學生課外拓展探索。實驗效率的提高使得學生有更多的時間思考、交流、整理、分析實驗數據，思考問題。學生的好奇心和求知欲得到滿足，他們學習科學知識的興趣自然變濃。下面，筆者結合課堂實踐談傳感器及其配套軟件在小學科學中的應用方法與技巧。

一、精準測量，優化實驗方法

傳感器測量數據精確度高、誤差小，這是傳統實驗器材無法比擬的。例如，在測量力的大小時，學生利用力傳感器比使用彈簧測力計更方便，更準確。力傳感器在小學科學教學中可以使用的范圍很廣，應用到不同的實驗中會有不同的效果。

如何測量下沉物體受到的浮力，教材提供的方案是：用彈簧測力計先測出物體在空氣中的讀數，再分別將物體小部分浸入水中、大部分浸入水中、全部浸入水中，測出物體在水中的讀數，然后計算浮力，得出浮力與排開的水量的關系。用傳統器材測量本身沒有問題，但是班級學生眾多，很難保證所有學生都規范操作：學生持彈簧測力計時手容易抖動，在彈簧測力計的示數上下浮動的情況下估讀數值，容易造成誤差偏大。

筆者讓學生用力傳感器代替彈簧測力計，并將其固定到鐵架臺上，先測出物體在空氣中的重力，然后將裝水的燒杯置于升降臺上，慢慢旋轉提高升降臺使物體逐漸浸入水中。整個過程中，拉力的變化情況通過配套軟件以坐標圖的形式呈現，筆者借此讓學生直觀地看清拉力變化情況，從而得知浮力的變化及浮力與物體浸入水中體積的關系（如圖1）。

二、智能控制，提高操作便易性

小學科學教材中部分實驗操作難度較大，學生實驗誤差大，以傳統方式操作，耗時費力，如采用智能手段控制，就便捷很多。例如：以傳統方式探究“物體顏色與吸熱的關系”，用一節課的時間都不夠，筆者利用溫度傳感器輕松解決了這個難題。實驗時，筆者讓學生在三支溫度傳感器的探頭上套上三種不同顏色的受熱棒，將其固定在鐵架臺上，置于燈光或太陽光下，即得三種顏色的溫度變化曲線圖（如圖2）。

再如，筆者利用智能控制技術改進了研究“金屬熱脹冷縮”的實驗。原先的方案是：在鋼條一端加熱，另一端插一枚大頭針，大頭針彎曲即說明鋼條受熱膨脹。在這個實驗中，鋼條受熱會向沒有固定的一端膨脹，大頭針傾斜并不明顯;熱脹的效果需要花費較長時間才能體現，僅靠大頭針的傾斜程度并不能達到吸引學生眼球的效果;實驗僅能讓人看到鋼條的熱脹，卻無法讓人看到鋼條的冷縮。筆者的改進方法是：將鋼絲一端固定，另一端用傳感器拉緊，再在中間放蠟燭對其加熱，力的示數越來越小，說明鋼絲膨脹變長了;取下蠟燭，一段時間后，力又會變大，鋼絲冷縮，現象明顯。這樣操作非常簡便，傳感器的優勢顯而易見（如圖3）。學生用新方法操作更加便利、有效，熱情高漲。

三、化抽象為具體

如何判斷聲音的高低和強弱，對小學生來說有一定困難。筆者在教學過程中發現小學生很容易混淆音量和音調這兩個概念，為此苦惱不已。正當“山重水復疑無路”時，筆者嘗試使用聲波傳感器，豁然開朗。聲波傳感器可以將看不見的波變成直觀化的曲線，直接檢測出聲音的變化過程，并清晰地在計算機上呈現這一過程（如圖4）。當音量增大時，波的振動幅度加大;當音調變高時，波的振動頻率增大。筆者使用傳感器技術，借助動態圖讓學生認識到聲音是以波的形式傳播的，從而減輕了他們的認知負擔。

磁對學生來說是很抽象的，教材給出的實驗方法是以吸引大頭針數量多少來判斷電磁鐵的磁性強弱。這樣實驗，學生對磁的認識還是不深。如何解決上述問題？筆者利用磁傳感器和電磁鐵實驗器，指導學生探究影響電磁鐵磁性強弱的因素，非常便捷。學生可以在電磁鐵實驗器上設定線圈圈數和電流大小（如圖5）。

電生磁可以用磁傳感器，那么磁生電呢？筆者讓學生將微電流傳感器與線圈連接，用條形磁鐵穿過線圈，測出感應電流大小，從而證明電和磁是可以相互轉化的。

四、從定性到定量

如果利用傳統工具操作，很多實驗只能簡單定性描述，比較模糊，難以定量分析。例如，蠟燭燃燒產物是什么，對此教材直接寫明：燃燒充分的蠟燭生成的是水和二氧化碳，屬化學變化。學生只能死記硬背。如果非要檢驗蠟燭燃燒的產物，學生需要將燃燒后的氣體收集起來，通過無水硫酸銅和澄清石灰水來檢驗，但實驗裝置復雜，操作困難，實驗結果也只是定性描述。

筆者使用傳感器，使這個實驗大大簡化。筆者指導學生將點燃的蠟燭置于氣液相密封實驗器中，蓋上蓋子，連上二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、相對濕度傳感器（軟件自動記錄蠟燭燃燒過程中氧氣、二氧化碳及濕度的變化過程）。待蠟燭熄滅后，停止記錄，并利用繪圖功能畫出三者變化曲線，即可得出實驗結論：蠟燭燃燒過程中消耗氧氣，產生二氧化碳并有水生成（如圖6）。

該裝置也可用于探究“呼吸后氣體成分的變化”。具體方法是：首先測出空氣中二氧化碳、氧氣、相對濕度，然后往實驗器里吹氣，測出呼出氣體三者的含量，并與空氣作對比，比較人呼出氣體與吸入氣體成分的變化。

五、用數據證明事實

在小學科學教材中很多現象沒有數據的支撐，學生只能記憶。例如，三年級學生要用到酒精燈加熱，酒精燈在使用時要用外焰加熱，因為外焰溫度最高，內焰溫度最低。誰高誰低為什么不測一下呢？筆者將點燃的酒精燈放在升降臺上，然后將高溫傳感器固定到鐵架臺上，并將溫度計感應探頭置于酒精燈焰心。待溫度逐漸上升直到穩定后，筆者降低升降臺，依次測量內焰和外焰的溫度，讓學生觀察實驗曲線（如圖7），知曉酒精燈焰心溫度約600 ℃，內焰溫度約710 ℃，外焰溫度約780 ℃，外焰溫度最高，焰心溫度最低。

又如，對于能量的轉化，教材僅定性地簡單描述，如動能轉化成熱能。朗威傳感器套材中有一套摩擦做功實驗器（如圖8），教師可以用它開展定量實驗。筆者首先將實驗器固定，然后在實驗器黃銅管一側插入溫度傳感器，拉動套在黃銅管上的棉繩，使管內氣體溫度逐漸上升。筆者拉動速度越快，溫度上升趨勢越明顯，讓學生認識到在這個實驗過程中動能轉化成了熱能。套材中還有一套地磁場發電機，操作者只需將微電流計連接兩個接線柱，轉動轉臺，即可產生電流。這個實驗不僅能證明磁可以生電，而且能讓學生深刻地認識到地球也是一個大磁體。

再如，“溫室效應是由于大氣中二氧化碳濃度升高引起的”可以通過實驗證明。筆者指導學生先用試管收集空氣和二氧化碳，在試管口的位置分別插入兩支溫度傳感器后，將其放入遠紅外加熱器里加熱，一定時間后比較兩條溫度變化曲線圖，即可得出結論：二氧化碳氣體吸收光線中的紅外線造成溫度升高，大氣中二氧化碳含量提高會造成溫室效應。

傳感器的應用讓人們探索科學更為簡便、高效^[1]。這樣的變化使得實驗目標也跟著變化，最終引發教學方式的變革，同時也會推動我國小學科學教學儀器的更新與升級。

參考文獻

[1] 徐春明.傳感器在小學科學探究實驗中的應用[J].中國教育技術裝備，2014（9）.

（作者系浙江省義烏市北苑街道前洪小學教師）

責任編輯：祝元志