传感器应用于中学物理实验的思考，本文主要内容关键词为：传感器论文,物理实验论文,于中学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着课程改革的推进，信息技术与物理教学整合的研究也开展得轰轰烈烈，一系列与计算机配套使用的新型实验仪器应运而生。这种实验设备由软件和硬件组成，软件提供实验平台，硬件一般包括数据采集器和涉及力热电光原各个领域的各式传感器，可以实现数据的实时采集。它的特点是科技含量高，实时采集数据，误差小，实验耗时短，利用软件可以对数据进行多种分析。面对拥有如此多优点的设备，我们不禁要感叹科学之发达、技术之进步，但感叹之余又不禁要问：这样的先进设备真的可以代替传统教学仪器吗？难道物理实验真的“动一动鼠标”就可以了吗？笔者根据自己的教学经验将从如下三个方面进行对比。
一、由演示实验教学的基本要求出发
演示实验在中学物理教学实验中占有很大比重，而且是一种深受学生欢迎的实验形式。它是教师展示教学技艺的独特手段。它能够化枯燥为生动，化抽象为具体。演示实验的一切功能都离不开观察，观察者只能在演示者所给现象的基础上进行观察，因此演示实验的直观是最起码的要求。实验时，我们力求演示仪器简单，过程明了，其目的在于突出要观察的物理现象和过程，降低无关因素的干扰。
［例1］简谐运动的图像
方案一：
(1)沙摆实验：沙摆、沙子、长木板（或玻璃板）
沙摆里装满沙子，让沙摆在竖直面内振动，同时沿着与振动垂直的方向匀速拉动摆下的长木板，不断漏出的沙子在长木板上形成的就是沙摆的振动图象。［如图1(a)］
(2)弹簧振子实验：水平弹簧振子、记录笔、纸带、卷纸器
图1
在弹簧振子的小球上安装一枝记录用的笔P，在下面放一条白纸带，当小球振动时，沿垂直于振动方向匀速拉动纸带，笔P就在纸带上画出一条振动曲线。［如图1(b)］
方案二：水平弹簧振子、位移传感器、数据采集器、计算机
利用位移传感器直接采集振子振动过程中的位移数据，显示出位移随时间变化的图像（如图2）。
图2
对比这两类实验，从操作的难易程度来说，方案一存在一个难点就是在拉动木板或纸带时要尽可能保持匀速，这需要教师在实验之前进行一定的练习，而方案二只需按要求将仪器组装好，其他的就交给计算机了；从学生的接受程度来说，使用传感器加数据采集器这样的先进设备时，在好奇心的驱使下学生的注意力可能都放在了那个陌生的位移传感器上，它的原理又不是一两句话可以说清楚的，这势必给学生接受知识带来障碍，而传统实验中学生可以清楚地看到振子不同时刻的位置是如何记录下来的，这对学生理解振动图像的物理意义是有很大帮助的。
可见，先进设备中的传感器结构复杂、原理深奥，它的出现会起到“喧宾夺主”的作用，使得主要知识的传递受到干扰。
二、由学生的认知规律出发
学生知识的形成和掌握过程是通过认识的主体（学生）与被认识的客体之间的一系列相互作用而实现的。一般说来，这个过程往往是从生动的直观开始的。生动的直观能使学生获得事物的生动而具体的感性认识。当然这种感性表象中的具体的认识并没有揭露事物的本质，认识必须在此基础上进行科学分析和概括，得到关于事物的某个方面的本质特征或规律，最后将事物各方面的本质特征进行分析和综合，也就是再进行科学抽象，达到对事物全面而具体的认识。教学过程就是教师带领学生认识事物，应该遵循教学的直观性原则，让学生从生动而具体的感性认识开始研究物理问题。
［例2］超重失重
方案一：体重计、弹簧秤、钩码、细线
(1)电梯中
学生站在体重计上，在电梯上升、下降过程中观察体重计示数的变化
学生手持下端挂钩码的弹簧秤，在电梯上升、下降过程中观察弹簧秤的变化
(2)教室中
学生站在体重计上，在下蹲、起立的过程中观察体重计示数的变化
学生手持下端挂钩码的弹簧秤，使弹簧秤和钩码一起在竖直方向做变速运动，在运动过程中观察弹簧秤示数的变化
学生手持一根下端挂钩码的细线（选较重的钩码），拉动细线突然向上加速，细线断
方案二：钩码、力传感器、数据采集器、计算机
钩码挂于力传感器下端，使钩码在竖直方向变速运动，用力传感器采集钩码受到的力的大小
［例3］双缝干涉
方案一：激光发生器、双缝
调整激光发生器，使激光照射到双缝，在双缝后距离较远的幕布或墙壁上形成明暗相间的干涉条纹。
方案二：激光器、光强传感器、光具座、偏振片、双缝、数据采集器、计算机
将激光器、偏振片、双缝、光强传感器按顺序固定在光具座上，用偏振片将入射光强调整适当，用光强传感器采集经过双缝后的各处光强，利用计算机形成光强的分布图。
对比这两组实验，我们不难看出，传统实验更注重为学生的观察和体会提供最直观生动的现象，而传感器具有强大的数据采集功能，应用其所完成的实验都是通过准确的数据来说明问题，虽然这种方式更科学，但对于高中阶段的学生理解和归纳能力还远远不够，因此这种用抽象数据代替直观现象的方法是不符合学生的认知规律的。
三、由建构主义学习理论出发
当代建构主义认为，学习是学习者主动建构知识的过程，而不是将课本和教师的知识直接装入学生头脑中的过程。建构包含两方面的含义：第一，对新信息的理解是通过运用已有经验，超越所提供的新信息而建构成的；第二，从记忆系统中提取的信息本身，也要根据具体情况进行建构，而不是简单的提取。这表明，在学习过程中，学习者的原有经验是十分重要的。这些经验不仅包括学生在学校所学的系统知识，它指的是学生全部生活经历的积累，其中包括大量非结构性的经验背景。这些经验不仅构成了学生学习新知识的基础，而且决定着新知识的意义。所谓建构，实质上是学生头脑中主动将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建知识结构的过程。这个过程类似于生命体成长的过程，是有机的。信息的提取也依赖于具体情景。因而有意义的学习不是一个简单的信息的输入、存储和提取过程，而是在具体情境下新旧经验之间的双向的相互作用过程。
学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真思考；教师要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义。
［例4］加速度和力的关系
方案一：气垫导轨、滑块、钩码、光电门（两个）、细线、微机辅助教学系统、计算机
将气轨调平，滑块一端系细线，使细线通过气轨一端的定滑轮后挂钩码，在钩码质量远远小于滑块质量的情况下，可以近似地认为滑块受到的拉力等于钩码的重力，这样通过改变钩码的质量就可以改变拉力的大小；利用微机辅助教学系统和两个光电门分别测量滑块经过两个光电门的速度以及中间的时间间隔，计算加速度。
方案二：力传感器、加速度传感器、小车、数据采集器、计算机
将加速度传感器与小车固定，用力传感器对小车施加拉力使其在水平光滑表面做变速运动，运动过程中两个传感器实时采集力和加速度的数据。
对比这两个方案，很显然方案二操作简便、用时少，而且数据都是通过传感器直接采集，误差会比较小，而方案一实验步骤多（需多次测量）、用时长，还需要学生进行一定的数据处理。
这么一比较，方案二的优势似乎很突出。但如果我们能仔细想想“加速度和力的关系”这个知识点在物理知识体系中的位置，我们就能做出正确的判断。学生进入高中，学习物理的第一章是“力”——研究物体的受力，第二章是“直线运动”——研究物体的运动，第三章是“牛顿定律”——研究物体的受力和运动的关系，而“加速度和力的关系”就属于这一部分。根据建构主义学习理论，教师应该帮助学生建构当前所学知识的意义——牛顿定律是联系物体受力和运动的桥梁。为实现这一目的，教师应该为学生创设一个能够提示新旧知识之间联系的情景。方案一就是符合这一要求的教学设计。通过测量瞬时速度和计算加速度，帮助学生回顾加速度的物理意义——描述速度变化快慢的物理量，此外又可将新旧知识联系起来，力决定加速度，加速度决定速度变化的快慢，最后可以得到结论：一物体所受合外力恒定时，加速度也恒定不变，物体做匀变速直线运动；合外力随时间改变时，加速度也随时间改变；合外力为零时，加速度也为零，物体就处于静止或匀速直线运动状态。方案二使用加速度传感器直接测量出加速度，无须学生动手动脑，对于学生来说也就失去了一次复习的机会，同样也就不会意识到新旧知识之间的联系了。
通过以上几个实例的对比，我想我们应该更加客观地对待数据采集器加传感器这样的高科技实验设备。我们不能因为它科技含量高、操作方便、数据准确等优点，就用它完全替代传统实验仪器，也不能因为它不同于传统仪器的操作方式而抵触它。我们应该认真客观地审视它，合理有效地利用它。正如鲁迅在《拿来主义》里提出的“取其精华，去其糟粕”，根据实验的特点、学生的情况、教学的安排，适时选择，扬长避短，发挥其最大的功效来丰富课堂、激发学生对科学的热爱和对知识的渴求。
由于笔者教学经验还远远不够丰富，对比分析定有浅薄、偏颇之处，恳请经验丰富人士提出批评指正。