-.z傳感器技術在物理新課程實驗情境教學中的應用研究摘要：本課題以數字信息化實驗系統為依托，將傳感器技術應用到課堂實驗探究教學的各個環節，在師生共同努力下，創設了豐富的現代信息的實驗情境，研發了大量的典型的物理新課程實驗探究性學習方案，以生動的事實，展現出信息化實驗系統對學生能力的提高。傳感器技術的引入，使中學教學內容得到了延伸，從時間上，在收集數據，作圖等方面節約了時間；從內容上，它大大拓寬了學生探究的空間，多種傳感器的選擇和組合，改變了傳統教學中的驗證性實驗，讓學生自己發現問題，能較為深入地學習物理，充分發揮了學生進展實驗探究的主體性，增強了學生的創新意識，培養了學生實事求是、嚴謹認真的科學態度，養成了交流與合作的良好習慣，開展了學生的實踐能力。另外，本課題還在數字化實驗系統如何配合相應的實驗評測系統，實現理科實驗的考試、評價和診斷方面做出探索性嘗試。關鍵詞：傳感器DIS實驗探究情境新課程隨著我國根底教育課程改革力度的不斷加大，課程資源的重要性日益顯現出來。課程資源的豐富性和適切程度決定著課程改革的目標的實現程度和*圍。沒有課程資源廣泛支持，再美好的課程改革設想也很難變成中小學的實際教育成果。但凡有助于創造出學生主動學習和和諧開展的資源都應該加以開發和利用。由于工具的限制性，一些具有研究價值的課題無法納入中學生學習的課程內部。**市的課程改革將數字化信息系統引入中學教學，給學校提供了良好的硬件設施。也為開發新的課程資源提供了優越的物質根底。物理的學科性特點又決定了其在利用這一新型工具時具有明顯的優勢。傳感器技術，即數字信息化實驗系統的引入，使中學教學內容得到了延伸，日常生活中的種種現象都可以作為研究對象。研究的思路也更加開闊，多種傳感器的選擇和組合，學生進展實驗探究的主體性得以充分發揮，使學生真正成為學習的主人。一、數字信息化實驗系統的介紹我國2002年4月成立**市中小學數字化實驗系統〔DigitalInformationSystem〕研發中心正式成立，注冊朗威數字信息化實驗室商標，投入該工程的研究。該中心是由**市教委組建的一個國內首創，研、學、產、教一體化的研發機構。由著名實驗教學專家、特級教師、特級校長馮容士先生擔任中心主任，中心的加盟單位包括教委教研室、風華中學和**省遠大網絡多媒體**公司。2003年9月，根據試點學校的試用經歷把升級的朗威DISLAB數據采集器正式推出。到2005年夏天，研發中心不僅打破了多項國外技術壟斷，而且DISLab系統初具規模，使用DISLab，能夠完成力學、運動學、電磁學、光學、熱學和原子物理實驗數百個。本課題主要以數字信息化實驗系統為依托，開展對物理程實驗情境教學中的應用研究，并取得了應有的成果。2.3數字化信息實驗系統的原理介紹數字信息化實驗系統的流程圖如下：實驗裝置實驗裝置傳感器數據采集器電腦利用傳感器將實驗裝置與計算機連接后，傳感器進展數據采集，并通過模擬到數字〔A/D〕轉換輸入計算機，由計算機通過相應的軟件對探測到的信息轉化為相應的物理量的類型和數值。軟件中配置了記錄數據的表格，可以設置采集數據的頻率，根據實驗需要采集需要的數據。采集到的數據還可以以圖表、儀表、示波器等形式顯示，同時支持對實驗結果的線形、曲線、二次、高次曲線分析。用戶可以自定義變量和表達式，可完成包括函數在內的復雜運算。如此強大的計算和圖形處理功能，給學生進展數據和圖形分析處理提供了廣闊的探究空間，并且大大減少了學生機械繁雜的勞動和時間。這是一套集物理測量、自動控制、數據記錄、智能化數據分析于一體的綜合性物理實驗平臺，運用該設備進展物理現象的觀察、物理原理的探索，可以完成一些常規儀器難以完成的實驗，有利于學生在實踐環節中掌握知識，培養動手能力。目前該系統用于中學物理教學的傳感器有:電壓傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、磁感強度傳感器、溫度傳感器、壓強傳感器、力傳感器、光照度傳感器、位移傳感器、光電門傳感器、聲波傳感器等，全面滿足了中學階段物理實驗的需要，開辟了高中物理實驗的新天地。物理是從哲學中別離出來的一門實驗科學，它不僅包括嚴密邏輯體系，而且創新的過程是一個綜合運用觀察、實驗、模型等多種研究手段，類比、推理、等效等多種思維過程。?中學物理教學概論?閻金鐸田世琨高等教育?中學物理教學概論?閻金鐸田世琨高等教育⑴重新安排、組合已有的物理知識，創造出新的知識和形象⑵突破已有的物理知識，提出嶄新的見解、設想、思路和觀點。在中學教育階段，著重培養學生在第一個方面的創新。創新并不是神秘的東西，創新是每個人與生俱來的東西，只不過長期得不到培養或沒有適當的環境運用這種能力，就會逐漸消亡。在物理教學過程中，教師首先要確立以培養學生創新能力為核心的教學目標，改變單純向學生傳授知識的教學方式，給學生創造積極參與，勇于表達自己想法的學習環境。其次，教學要善于從各種媒體中挖掘能培養學生創造能力的素材。可以是物理教材、也可以是物理學史，或者其他的科技期刊……學生能在教師指導下發現問題，并運用自己所學的知識，利用周圍能利用的一切條件解決問題，最后用科學化的語言以小論文形式表達出自己和觀點或向同學展示出自己的小制作。中學的教師重在培養學生的創新精神，給學生的創新提供環境，并不是一定要讓每個學生都有創造創造，關鍵是將創新的元素：如集中思維能力，發散思維能力，類比推理，分析綜合等融入平時的課堂中。二、學生探究能力及培養對于物理實驗能力是一種綜合的能力，它包括實驗設計能力、實驗操作能力、實驗觀察和測量能力、實驗數據處理能力。實驗設計能力是將所學到的物理知識應用到實踐中，是學習成果的升華。設計實驗時首先要求學生明確研究對象、自變量和應變量。探討要解決的問題。找出正確的實驗設計原理；其次學生必須掌握好物理實驗研究的根本方法。如：歸納法、驗證法、演繹法、理想實驗的方法等；最后學生知道實驗設計的根本思想方法。如：平衡法、轉換法、放大法、比擬法、再現法。實驗的操作能力是指能正確操作實驗儀器、工具完成實驗過程。主要表達在①實驗中用到較多的儀器時，能合理排布儀器，排布儀器的原則是便于觀察、便于調節、便于連接、便于檢查。當遇到較復雜的儀器時，或正確、合理地將各個部件裝配起來。②掌握儀器調節方法。裝配好儀器后，在實驗開場之前要認真調節儀器。如：共軸調節、調零、滑動變阻器最大值調節、選擇量程等等。數字信息化實驗系統，好多傳感器是霍爾元件，尤其要注意調零。沒有固定的零點，測出的數據沒有任何意義。如：磁感應強度傳感器，力傳感器，電壓傳感器，電流傳感器。③根據實驗要求和儀器的實驗規則正確、快速地完成實驗，④能及時排除實驗故障。實驗中有時會出現數據不合理的現象，如：用位移傳感器測運動小車的位移時，測出的值比實際值小，且在較小*圍內擺動，這說明可能是傳感器發出的波打在它前面的其它物體上了。排除實驗故障可以從現象入手分析原因，也可以從可能存在的故障開場，尋找可能產生的現象，或者二者結合，逐步縮小探尋*圍。實驗觀察和測量能力，主要是指有目的地進展觀察，并抓住事物、現象的主要特征，能正確地讀出并記錄數據。數字化實驗系統自動記錄實驗數據，對學生測量能力的要求降低，但是觀察能力要求提高。觀察的對象除了傳統實驗現象、結果的觀察，更多的是通過實驗數據產生的圖線、圖表，觀察實驗中存在的為問題或對實驗結果進展定性或定量分析。實驗數據處理能力，是指對實驗測得的數據進展分析、總結，以得到*些量的變化規律或量與量之間的關系。數字信息化實驗系統，通常得到的是測得的物理量與時間之間的圖線。需要對測得的數據進展進一步處理才能得到量與量之間的關系。處理時，注意盡量化曲為直，還要注意圖線的外延長線、曲線的斜率、曲線的面積等的物理意義進展研究。與傳感器配套的軟件能很好的完成上述各種功能，首先要求學生能熟練運用配套的軟件。實驗數據處理還要求學生能進展誤差分析。誤差一般有偶然誤差和系統誤差兩種。如果測得的數據有規律地增加或減少，一般判定為系統誤差。減小系統誤差首先要找出產生誤差的原因，造成系統誤差的原因有測量方法、儀器的準確性、理論的近似性、實驗條件等。偶然誤差是由于環境的干擾和一些不可預測的因素引起的，偶然誤差服從統計規律，可通過增加測量次數和一些處理偶然誤差的理論來處理。為了減小偶然誤差，增加實驗的可信度，一般實驗要進展10次或10次以上。從總體上講，DIS系統是以計算機及傳感器為核心器件的實驗體系，而與傳統或有計算機傳感器參與的實驗系統相區別。DIS系統構造將使實驗教學的設計思想、學生的操作過程和實驗中間環節發生很大變化。模塊化和功能封裝是現代工業的特點之一，DIS具備了這些特點，也就是系統將在“黑箱〞模式下提供我們需要的功能，不能也不必過份關心系統提供功能之外的事情。我們所要做的事情就是根據需要，選擇想要的模塊，要關一心的事情就是該模塊的功能是否能滿足我們的需要。如測量類型、測量*圍、測量精度是否符合要求，軟件支持的情況。在這種情況下，實驗教學將使一些層面相對簡化，而使另一些層面更深入。比方，在數據處理上，有明確的處理形式的機械性工作，可以交給計算機來自動完成，使處理數據層面上工作簡單化；這樣做的目的是否意味我們對數據的關注可以減少呢?答案是否認的。因為我們要求學生轉而關注數據之間的物理關系和數據背后更深入層次上的物理分析，就是說可以引導學生把精力從簡單層面上轉移到較深入的地方。面對DIS系統的功能全面增強，為物理實驗教學在實驗內容上調整帶來機遇。比方，在傳統中學物理實驗中，沒有設備能很方便地測量磁場強度，現在有了磁場強度測量模塊。我們可以用它和電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等模塊組合使用，設計一系列較復雜的物理實驗。由于傳感器的應用，給測量帶來方便，我們可以將力、熱、聲、光、電等模塊組合使用。設計出跨章節甚至跨學年的綜合性實驗，以適應高中物理課程標準中“物理實驗專題〞選修模塊的需要。DIS系統將打破傳統實驗教學的固有模式，使中學物理實驗具有高度的自主性、開放性和探索性，學生可以比擬方便地根據不同的目的設計實驗，如可以設計*個實驗專門為了仔細深入地觀察*一過程，研究一些物理量之間的關系等等。另一方面，對于同一個實驗，不同學生之間在學習目的上可以互不一樣。實驗既可以探究性的，也可以是驗證性的，學生可以更自由設計*個實驗來驗證他們的想法，為學生大膽創造提供實驗平臺。三、傳感器案例開發和研究3.1案例研究磁場的特性1.目的利用“朗威DISLab〞對地磁場和螺線管內的磁場進展研究。2.器材“朗威DISLab〞數據采集器〔圖1〕、磁傳感器〔圖2〕、位移傳感器〔圖3〕、通用擴展軟件、教材專用軟件、計算機、螺線管、學生電源、軟鐵棒等。圖1“朗威DISLab〞數據采集器圖2“朗威DISLab〞磁傳感器圖3“朗威DISLab〞位移傳感器3.原理磁傳感器可以通過其頂端的磁敏元件測量出磁場的磁感強度數值。磁傳感器測量的是環境磁場變化引起的磁感應強度的相對變化。“朗威DISLab〞軟件對磁傳感器測量值的規定：當磁傳感器探頭指向磁鐵〔被測磁場〕S極，即傳感器指向與磁感線方向一樣時，測量值呈正值，如圖5；當磁傳感器探頭指向磁鐵〔被測磁場〕N極，即傳感器指向與磁感線方向相反時，測量值呈負值，如圖6。圖4磁傳感器測量值為正圖5磁傳感器測量值為負磁傳感器測量值的絕對值即為所測磁場的磁感應強度。隨著磁傳感器越靠近被測磁場，磁感強度越強，磁傳感器測量值的絕對值越大。螺線管內的磁感強度與螺線管的匝數、直徑、長度以及通電電流有關。4.實驗過程單獨使用磁傳感器對環境磁場進展測量將磁傳感器接入數據采集器，翻開“朗威DISLab〞通用擴展軟件，顯示出環境的磁場強度。當傳感器遠離高磁區時，所測量的數值即為地磁場的磁感強度。將磁傳感器放置在水平桌面上。為消除背景值的影響，對傳感器進展軟件調零〔此時即為相對測量〕。在桌面上轉動傳感器，讓傳感器的測量端指向不同方向，觀察示數的變化。我們發現，在同一位置將磁敏元件在不同方向測量時，所測的結果是不一樣的，見表1。方向NENEESSWSWWN數值0.030.020.00-0.01-0.04-0.020.000.01表1傳感器的測量端在不同方向時與測量值的對應關系分析上表1：當傳感器測量端指向北的時候，測量值最大，指向南的時候，測量值最小，說明地理北極為S極，地理南極為N極。用同樣的方法，讓傳感器的測量端在南北方向的垂直平面內轉動，觀察示數的變化，可以發現地磁場的磁感線方向既不是水平的也不是垂直的，而是朝南方向的斜下方。單獨使用磁傳感器，對通電螺線管內的磁感應強度進展測量實驗裝置圖如圖7。翻開“朗威DISLab〞教材專用軟件，點擊軟件菜單上“磁感應強度測定〞，顯示出數據表格和B-*坐標。B為螺線管通電后產生的磁感應強度，*為磁傳感器頂端與測量起始點的距離。實驗時，每改變一次*值〔改變幅度為0.5cm〕，點擊“數據記錄〞一次，得出幾組不同的B、*值，啟動“繪圖〞功能，在坐標系中可以觀察到B-*圖線，如圖7。圖6測量通電螺線管內的磁感強度圖7B-*圖線分析實驗結果，可得出如下結論：通電螺線管內磁場的磁感強度是不均勻的，以螺線管的中間位置最強，兩邊最弱。改變供電電源的方向，觀察B的變化情況，分析磁感線的方向，結合線圈的繞線方向，驗證右手螺旋定則。5其它研究