传感技术在初中科学实验教学中的应用

刘 宁

(浙江省宁波市江北中学 315020)

随着基础教育仪器的开发，传感技术已经走进基础教育领域，并且逐渐显示出它的特点与优势，越来越受到教育界的关注.从上世纪80年代开始，传感技术就在发达国家的中学理科教学中得到了广泛应用.近几年，我国北京、浙江、广东、上海等地的一些中学也已经开始应用这项技术进行教学，并且开设了有关的校本课程.

一、基于传感技术的初中科学实验系统的组成

基于传感技术的初中科学实验系统是由传感器、数据采集器、配套软件和计算机组成的.

1. 传感器

传感器可把各种物理量和化学量精确地变换为电信号，它是数字化实验的核心.适用于初中科学实验的传感器有温度传感器、pH传感器、湿度传感器、压强传感器、磁感应强度传感器、溶解氧传感器、CO2传感器等.

2. 数据采集器

数据采集器主要用来实时采集传感器检测的实验数据并传输给计算机，它是传感器与计算机的转换器.

3. 计算机及其内部配套软件

将数据采集器与计算机连接后，即可用实验数据处理系统软件对由传感器传递的数据进行分析处理.调用预先设计好的实验模板，可以便捷地对数据采集器进行操作，以数字、曲线等多种形式显示实验数据，并对数据结果进行分析、推测.

二、传感技术在实验教学中的优越性

传感技术既是常规实验工具的有益补充，又为初中实验教学尤其是探究性实验教学开辟了新的途径.

1．直观性

常规实验方法记录的实验数据有表现形式单一、不直观的缺点.基于传感技术的科学实验可以改变这种状况，它不但可以检测反应过程中许多实验现象或参数的微弱变化，而且还能将整个反应过程以图像、数字、表格、视频等多种形式动态、直观地显示出来.

2．定量性

传感技术的最大的特点就是将实验结果数字化，不仅能从量的角度说明传统定性实验的结论，也可以利用数据处理向导使定量实验得到比较精确的结果，使一些传统定性的实验得到定量化研究，有利于培养学生的定量研究意识和能力.

3．简易性

传感实验仪器的便携性使科学实验不仅能在实验室进行，还可以在其他场所随时进行，仪器会自动记录实验过程中的数据变化，对实验结果进行分析处理.利用传感技术可以将课堂中的一些装置复杂、难以成功的实验简易化，提高教师和学生对实验的积极性.

三、传感技术在初中科学实验教学中的应用

随着新课程改革的深入，传感技术将成为初中科学教学和研究性学习活动中的一种数字化定量实验手段，以下是传感技术在初中科学实验教学中的应用实例.

1．用电压传感器比较不同水果电池的电压

该实验出自华师大版《科学》教材八年级下册第四章第3节“电流和电压”.课堂中常用小灯泡的明暗程度判断水果电池电压的大小，但这些方法只能定性地对结果做出大致判断，对某些微小的差异无法分辨，这使实验内容有局限性，一定程度上限制了学生的进一步探究.

利用电压传感器来进行此实验，整套实验装置由电压传感器、数据采集器、计算机和不同的水果(包括苹果、柑桔、柠檬、番茄、西瓜等)电池组成(如图所示).

连接好装置后打开实验模板进行数据采集.实验过程中有关数据、信息和图形均会显示在可视化界面上，实验结束后可将全部数据形成文本文件保存.根据实验数据，学生可以准确、定量地比较各种水果的电压大小.

由于水果的种类、电极的材料、电极插入深度、电极之间的距离、水果的状态等都可能会影响水果电池的电压，教师可以引导学生自主设计新的实验对课题进行更深入的探究.

将传感技术应用于“水果电池”的实验中，不但可以定量地比较不同的水果电池产生电压的大小，而且还能探究其它各种可能影响水果电池电压的因素，进而拓展了实验的探究内容，培养学生善于思考的能力以及主动探索的创新意识.此外，电压传感器还可应用于探究串联电路中用电器两端电压与电源两端电压的关系、探究影响导体电阻大小的因素等实验中.

2．用电流传感器研究电磁感应现象

本实验出自华师大版《科学》教材八年级下册第五章第3节“电磁感应”，教材中用灵敏电流计研究感应电流产生的条件，并判断感应电流的方向与哪些因素有关.在实际操作中发现：有时感应电流较小，灵敏电流计指针偏转不明显；由于灵敏电流计指针偏转快，很难读出电流值，限制了进一步的实验探究.

将传感技术应用于此实验中，整套实验装置由电流传感器、数据采集器、电脑、线圈、蹄形磁铁组成.连接好装置后打开实验模板进行数据采集，实验过程中有关数据、信息和图形均会显示在电脑屏幕上(如图所示).根据图像，学生可以精确、定量地判断感应电流的大小和方向.

由于感应电流的大小与导线切割的速度大小、导线切割的速度方向、永磁体的强度、切割导线的条数、切割导线的有效长度等因素有关，教师可以引导学生自主设计新的实验开展相关因素的探究活动.

将传感技术应用于“感应电流的产生”的实验中，不但可以精确地测量电路中的感应电流，判断感应电流产生的条件和影响感应电流方向的因素，而且还能进一步探究影响感应电流大小的因素.与教材中的实验相比，新的实验方法更简便、直观、精确，有助于学生进一步探究.此外，电流传感器还可应用于探究电流与电压的关系、伏安法测电阻实验等实验中.

四、展望

科学课程以提高学生的科学素养为宗旨，实验活动是科学课程实现其教学目标的重要载体.应用传感技术进行科学实验是开展初中科学实验一种新的方式，是一种结合现代分析技术的实验手段，也是近些年来实验改革发展的新方向.笔者设计了一系列的基于传感技术的初中科学实验，如用力传感器研究摩擦现象；用二氧化碳传感器研究植物的光合作用、种子萌发释放CO2；用溶解氧传感器研究氧气溶解度和温度的关系；用温度传感器研究熔化和凝固现象、物质溶解过程中能量的变化等；用湿度传感器研究植物的蒸腾作用等实验，并将这些实验应用于实验教学中，引起了学生极大的兴趣.笔者希望基于传感技术的科学实验能对初中科学实验教学的改革起到积极的作用.