传感器技术在物理新课程实验情境教学中的应用研1.docx
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传感器技术在物理新课程实验情境教学中的应用研1
传感器技术在物理新课程实验情境教学中的应用研究
摘要：
本课题以数字信息化实验系统为依托，将传感器技术应用到课堂实验探究教学的各个环节，在师生共同努力下，创设了丰富的现代信息的实验情境，研发了大量的典型的物理新课程实验探究性学习方案，以生动的事实，展现出信息化实验系统对学生能力的提高。
传感器技术的引入，使中学教学内容得到了延伸，从时间上，在收集数据，作图等方面节约了时间；从内容上，它大大拓宽了学生探究的空间，多种传感器的选择和组合，改变了传统教学中的验证性实验，让学生自己发现问题，能较为深入地学习物理，充分发挥了学生进行实验探究的主体性，增强了学生的创新意识，培养了学生实事求是、严谨认真的科学态度，养成了交流与合作的良好习惯，发展了学生的实践能力。
另外，本课题还在数字化实验系统如何配合相应的实验评测系统，实现理科实验的考试、评价和诊断方面做出探索性尝试。
关键词：
传感器DIS实验探究情境新课程
随着我国基础教育课程改革力度的不断加大，课程资源的重要性日益显现出来。
课程资源的丰富性和适切程度决定着课程改革的目标的实现程度和范围。
没有课程资源广泛支持，再美好的课程改革设想也很难变成中小学的实际教育成果。
凡是有助于创造出学生主动学习和和谐发展的资源都应该加以开发和利用。
由于工具的限制性，一些具有研究价值的课题无法纳入中学生学习的课程内部。
上海市的课程改革将数字化信息系统引入中学教学，给学校提供了良好的硬件设施。
也为开发新的课程资源提供了优越的物质基础。
物理的学科性特点又决定了其在利用这一新型工具时具有明显的优势。
传感器技术，即数字信息化实验系统的引入，使中学教学内容得到了延伸，日常生活中的种种现象都可以作为研究对象。
研究的思路也更加开阔，多种传感器的选择和组合，学生进行实验探究的主体性得以充分发挥，使学生真正成为学习的主人。
一、数字信息化实验系统的介绍
我国2002年4月成立上海市中小学数字化实验系统（DigitalInformationSystem）研发中心正式成立，注册朗威数字信息化实验室商标，投入该项目的研究。
该中心是由上海市教委组建的一个国内首创，研、学、产、教一体化的研发机构。
由著名实验教学专家、特级教师、特级校长冯容士先生担任中心主任，中心的加盟单位包括教委教研室、风华中学和山东省远大网络多媒体有限责任公司。
2003年9月，根据试点学校的试用经验把升级的朗威DISLAB数据采集器正式推出。
到2005年夏天，研发中心不仅打破了多项国外技术垄断，而且DISLab系统初具规模，使用DISLab，能够完成力学、运动学、电磁学、光学、热学和原子物理实验数百个。
本课题主要以数字信息化实验系统为依托，开展对物理程实验情境教学中的应用研究，并取得了应有的成果。
2.3数字化信息实验系统的原理介绍
数字信息化实验系统的流程图如下：
利用传感器将实验装置与计算机连接后，传感器进行数据采集，并通过模拟到数字（A/D）转换输入计算机，由计算机通过相应的软件对探测到的信息转化为相应的物理量的类型和数值。
软件中配置了记录数据的表格，可以设置采集数据的频率，根据实验需要采集需要的数据。
采集到的数据还可以以图表、仪表、示波器等形式显示，同时支持对实验结果的线形、曲线、二次、高次曲线分析。
用户可以自定义变量和表达式，可完成包括函数在内的复杂运算。
如此强大的计算和图形处理功能，给学生进行数据和图形分析处理提供了广大的探究空间，并且大大减少了学生机械繁杂的劳动和时间。
这是一套集物理测量、自动控制、数据记录、智能化数据分析于一体的综合性物理实验平台，运用该设备进行物理现象的观察、物理原理的探索，可以完成一些常规仪器难以完成的实验，有利于学生在实践环节中掌握知识，培养动手能力。
目前该系统用于中学物理教学的传感器有:
电压传感器、电流传感器、微电流传感器、磁感强度传感器、温度传感器、压强传感器、力传感器、光照度传感器、位移传感器、光电门传感器、声波传感器等，全面满足了中学阶段物理实验的需要，开辟了高中物理实验的新天地。
物理是从哲学中分离出来的一门实验科学，它不仅包括严密逻辑体系，而且创新的过程是一个综合运用观察、实验、模型等多种研究手段，类比、推理、等效等多种思维过程。
物理创新思维的成果，主要包括两方面的内容
⑴重新安排、组合已有的物理知识，创造出新的知识和形象
⑵突破已有的物理知识，提出崭新的见解、设想、思路和观点。
在中学教育阶段，着重培养学生在第一个方面的创新。
创新并不是神秘的东西，创新是每个人与生俱来的东西，只不过长期得不到培养或没有适当的环境运用这种能力，就会逐渐消亡。
在物理教学过程中，教师首先要确立以培养学生创新能力为核心的教学目标，改变单纯向学生传授知识的教学方式，给学生创造积极参与，勇于表达自己想法的学习环境。
其次，教学要善于从各种媒体中挖掘能培养学生创造能力的素材。
可以是物理教材、也可以是物理学史，或者其他的科技期刊……学生能在老师指导下发现问题，并运用自己所学的知识，利用周围能利用的一切条件解决问题，最后用科学化的语言以小论文形式表达出自己和观点或向同学展示出自己的小制作。
中学的教师重在培养学生的创新精神，给学生的创新提供环境，并不是一定要让每个学生都有发明创造，关键是将创新的元素：
如集中思维能力，发散思维能力，类比推理，分析综合等融入平时的课堂中。
二、学生探究能力及培养
对于物理实验能力是一种综合的能力，它包括实验设计能力、实验操作能力、实验观察和测量能力、实验数据处理能力。
实验设计能力是将所学到的物理知识应用到实践中，是学习成果的升华。
设计实验时首先要求学生明确研究对象、自变量和应变量。
探讨要解决的问题。
找出正确的实验设计原理；其次学生必须掌握好物理实验研究的基本方法。
如：
归纳法、验证法、演绎法、理想实验的方法等；最后学生知道实验设计的基本思想方法。
如：
平衡法、转换法、放大法、比较法、再现法。
实验的操作能力是指能正确操作实验仪器、工具完成实验过程。
主要体现在①实验中用到较多的仪器时，能合理排布仪器，排布仪器的原则是便于观察、便于调节、便于连接、便于检查。
当遇到较复杂的仪器时，或正确、合理地将各个部件装配起来。
②掌握仪器调节方法。
装配好仪器后，在实验开始之前要认真调节仪器。
如：
共轴调节、调零、滑动变阻器最大值调节、选择量程等等。
数字信息化实验系统，好多传感器是霍尔元件，尤其要注意调零。
没有固定的零点，测出的数据没有任何意义。
如：
磁感应强度传感器，力传感器，电压传感器，电流传感器。
③根据实验要求和仪器的实验规则正确、快速地完成实验，④能及时排除实验故障。
实验中有时会出现数据不合理的现象，如：
用位移传感器测运动小车的位移时，测出的值比实际值小，且在较小范围内摆动，这说明可能是传感器发出的波打在它前面的其它物体上了。
排除实验故障可以从现象入手分析原因，也可以从可能存在的故障开始，寻找可能产生的现象，或者二者结合，逐步缩小探寻范围。
实验观察和测量能力，主要是指有目的地进行观察，并抓住事物、现象的主要特征，能正确地读出并记录数据。
数字化实验系统自动记录实验数据，对学生测量能力的要求降低，但是观察能力要求提高。
观察的对象除了传统实验现象、结果的观察，更多的是通过实验数据产生的图线、图表，观察实验中存在的为问题或对实验结果进行定性或定量分析。
实验数据处理能力，是指对实验测得的数据进行分析、总结，以得到某些量的变化规律或量与量之间的关系。
数字信息化实验系统，通常得到的是测得的物理量与时间之间的图线。
需要对测得的数据进行进一步处理才能得到量与量之间的关系。
处理时，注意尽量化曲为直，还要注意图线的外延长线、曲线的斜率、曲线的面积等的物理意义进行研究。
与传感器配套的软件能很好的完成上述各种功能，首先要求学生能熟练运用配套的软件。
实验数据处理还要求学生能进行误差分析。
误差一般有偶然误差和系统误差两种。
如果测得的数据有规律地增加或减少，一般判定为系统误差。
减小系统误差首先要找出产生误差的原因，造成系统误差的原因有测量方法、仪器的准确性、理论的近似性、实验条件等。
偶然误差是由于环境的干扰和一些不可预测的因素引起的，偶然误差服从统计规律，可通过增加测量次数和一些处理偶然误差的理论来处理。
为了减小偶然误差，增加实验的可信度，一般实验要进行10次或10次以上。
从总体上讲，DIS系统是以计算机及传感器为核心器件的实验体系，而与传统或有计算机传感器参与的实验系统相区别。
DIS系统结构将使实验教学的设计思想、学生的操作过程和实验中间环节发生很大变化。
模块化和功能封装是现代工业的特点之一，DIS具备了这些特点，也就是系统将在“黑箱”模式下提供我们需要的功能，不能也不必过份关心系统提供功能之外的事情。
我们所要做的事情就是根据需要，选择想要的模块，要关一心的事情就是该模块的功能是否能满足我们的需要。
如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎要求，软件支持的情况。
在这种情况下，实验教学将使一些层面相对简化，而使另一些层面更深入。
比如，在数据处理上，有明确的处理形式的机械性工作，可以交给计算机来自动完成，使处理数据层面上工作简单化；这样做的目的是否意味我们对数据的关注可以减少呢?
答案是否定的。
因为我们要求学生转而关注数据之间的物理关系和数据背后更深入层次上的物理分析，就是说可以引导学生把精力从简单层面上转移到较深入的地方。
面对DIS系统的功能全面增强，为物理实验教学在实验内容上调整带来机遇。
比如，在传统中学物理实验中，没有设备能很方便地测量磁场强度，现在有了磁场强度测量模块。
我们可以用它和电流传感器、电压传感器、压力传感器等模块组合使用，设计一系列较复杂的物理实验。
由于传感器的应用，给测量带来方便，我们可以将力、热、声、光、电等模块组合使用。
设计出跨章节甚至跨学年的综合性实验，以适应高中物理课程标准中“物理实验专题”选修模块的需要。
DIS系统将打破传统实验教学的固有模式，使中学物理实验具有高度的自主性、开放性和探索性，学生可以比较方便地根据不同的目的设计实验，如可以设计某个实验专门为了仔细深入地观察某一过程，研究一些物理量之间的关系等等。
另一方面，对于同一个实验，不同学生之间在学习目的上可以互不相同。
实验既可以探究性的，也可以是验证性的，学生可以更自由设计某个实验来验证他们的想法，为学生大胆创造提供实验平台。
三、传感器案例开发和研究
3.1案例研究磁场的特性
1.目的
利用“朗威DISLab”对地磁场和螺线管内的磁场进行研究。
2.器材
“朗威DISLab”数据采集器（图1）、磁传感器（图2）、位移传感器（图3）、通用扩展软件、教材专用软件、计算机、螺线管、学生电源、软铁棒等。
图1“朗威DISLab”数据采集器
图2“朗威DISLab”磁传感器
图3“朗威DISLab”位移传感器
3.原理
磁传感器可以通过其顶端的磁敏元件测量出磁场的磁感强度数值。
磁传感器测量的是环境磁场变化引起的磁感应强度的相对变化。
“朗威DISLab”软件对磁传感器测量值的规定：
当磁传感器探头指向磁铁（被测磁场）S极，即传感器指向与磁感线方向相同时，测量值呈正值，如图5；当磁传感器探头指向磁铁（被测磁场）N极，即传感器指向与磁感线方向相反时，测量值呈负值，如图6。
图4磁传感器测量值为正
图5磁传感器测量值为负
磁传感器测量值的绝对值即为所测磁场的磁感应强度。
随着磁传感器越靠近被测磁场，磁感强度越强，磁传感器测量值的绝对值越大。
螺线管内的磁感强度与螺线管的匝数、直径、长度以及通电电流有关。
4.实验过程
单独使用磁传感器对环境磁场进行测量
将磁传感器接入数据采集器，打开“朗威DISLab”通用扩展软件，显示出环境的磁场强度。
当传感器远离高磁区时，所测量的数值即为地磁场的磁感强度。
将磁传感器放置在水平桌面上。
为消除背景值的影响，对传感器进行软件调零（此时即为相对测量）。
在桌面上转动传感器，让传感器的测量端指向不同方向，观察示数的变化。
我们发现，在同一位置将磁敏元件在不同方向测量时，所测的结果是不一样的，见表1。
方向
N
EN
E
ES
S
WS
W
WN
数值
0.03
0.02
0.00
-0.01
-0.04
-0.02
0.00
0.01
表1传感器的测量端在不同方向时与测量值的对应关系
分析上表1：
当传感器测量端指向北的时候，测量值最大，指向南的时候，测量值最小，说明地理北极为S极，地理南极为N极。
用同样的方法，让传感器的测量端在南北方向的垂直平面内转动，观察示数的变化，可以发现地磁场的磁感线方向既不是水平的也不是垂直的，而是朝南方向的斜下方。
单独使用磁传感器，对通电螺线管内的磁感应强度进行测量
实验装置图如图7。
打开“朗威DISLab”教材专用软件，点击软件菜单上“磁感应强度测定”，显示出数据表格和B-x坐标。
B为螺线管通电后产生的磁感应强度，x为磁传感器顶端与测量起始点的距离。
实验时，每改变一次x值（改变幅度为0.5cm），点击“数据记录”一次，得出几组不同的B、x值，启动“绘图”功能，在坐标系中可以观察到B-x图线，如图7。
图6测量通电螺线管内的磁感强度
图7B-x图线
分析实验结果，可得出如下结论：
通电螺线管内磁场的磁感强度是不均匀的，以螺线管的中间位置最强，两边最弱。
改变供电电源的方向，观察B的变化情况，分析磁感线的方向，结合线圈的绕线方向，验证右手螺旋定则。
5其它研究
研究软铁棒对通电螺线管内部磁场的影响（步骤略）
打开“朗威DISLab”通用扩展软件，将磁传感器探头顶端置于与通电螺线管管口齐平的位置，并保持不变。
将软铁棒缓慢地插入到螺线管中（与磁传感器方向相对），观察示数的变化，发现磁传感器测量值的绝对值逐渐增大；当软铁棒顶端与磁传感器探头的顶端齐平时，测量值的绝对值最大。
作为比较成熟的“朗威DISLab”的磁感强度、位移、力、微电流等传感器填补了高中阶段定量实验研究的空白，为学生进行广泛的探究提供了前所未有的工具和条件。
如在实验中可以单独测量B-x关系，又可以采用位移传感器自动记录位移，这给学生提供选择和比较的方便，有利于开展自主学习。
自动绘图等功能使学生更容易通过实验学到物理方法并运用工具进行自己认为必要的研究。
因此，中学引进智能实验系统为学生学习的选择和研究提供了工具。
它是现代技术手段为提高物理教育水平的成功尝试，将极大地提高中学物理教育效能，推进学科教育改革。
3.2案例研究碰撞过程
1实验目的
研究碰撞过程中的冲力和冲量。
2实验方法
图１为实验装置。
一中间有孔的砝码顺滑杆滑下，与底盘发生碰撞。
冲力经一条起缓冲作用的橡皮筋传到力传感器。
使砝码每次都从同一高度开始下滑，则它与底盘碰撞前的动量是相同的。
若用作缓冲的橡皮筋粗细不同，则砝码对底盘的冲击力也不同，但这冲力对时间的积分，即冲量是相同的。
因为碰撞的过程很短，所以力的取样速度设为每秒2500次，这在手工操作中是不可能的。
3实验过程
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