传感器应用于中学物理实验的思考

      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。