传感器及配套软件在小学科学教学中的应用

王燕君

摘要： 数字传感器具有精确、智能、方便等优势。小学科学教师可以合理利用数字传感器改进传统实验，借助智能控制技术降低实验难度，优化实验方法，化抽象为具体，用数据证明事实，实现从定性到定量的转变。实践证明，教师应用传感器开展科学实验探究活动，可以提高实验教学的有效性。

关键词：传感器;实验探究;小学科学教学

在高速发展的数字时代，小学生从小就接触智能化的学习产品，已经习惯科技带来的便利和乐趣。科学实验探究课程的教学需要与时俱进以适应新要求。传统的实验教学往往只进行一些简单的定性描述，缺乏定量分析。传统实验模式下器材使用效率低，操作过程复杂，影响学生观察和思考。此外，由于器材的限制，可探究的内容较少，而小学科学实验涉及力学、电磁学、声学等领域，概念抽象，并且存在实验数据较难获取或实验数据误差较大的问题。为满足学生的探究需求，一些教师开始应用传感器等新技术开展实验教学。笔者所在学校将传感器引入科学实验教学，为学生提供了一个自主探索的平台，不仅支持学生的课内探究实验，而且助力学生课外拓展探索。实验效率的提高使得学生有更多的时间思考、交流、整理、分析实验数据，思考问题。学生的好奇心和求知欲得到满足，他们学习科学知识的兴趣自然变浓。下面，笔者结合课堂实践谈传感器及其配套软件在小学科学中的应用方法与技巧。

一、精准测量，优化实验方法

传感器测量数据精确度高、误差小，这是传统实验器材无法比拟的。例如，在测量力的大小时，学生利用力传感器比使用弹簧测力计更方便，更准确。力传感器在小学科学教学中可以使用的范围很广，应用到不同的实验中会有不同的效果。

如何测量下沉物体受到的浮力，教材提供的方案是：用弹簧测力计先测出物体在空气中的读数，再分别将物体小部分浸入水中、大部分浸入水中、全部浸入水中，测出物体在水中的读数，然后计算浮力，得出浮力与排开的水量的关系。用传统器材测量本身没有问题，但是班级学生众多，很难保证所有学生都规范操作：学生持弹簧测力计时手容易抖动，在弹簧测力计的示数上下浮动的情况下估读数值，容易造成误差偏大。

笔者让学生用力传感器代替弹簧测力计，并将其固定到铁架台上，先测出物体在空气中的重力，然后将装水的烧杯置于升降台上，慢慢旋转提高升降台使物体逐渐浸入水中。整个过程中，拉力的变化情况通过配套软件以坐标图的形式呈现，笔者借此让学生直观地看清拉力变化情况，从而得知浮力的变化及浮力与物体浸入水中体积的关系（如图1）。

二、智能控制，提高操作便易性

小学科学教材中部分实验操作难度较大，学生实验误差大，以传统方式操作，耗时费力，如采用智能手段控制，就便捷很多。例如：以传统方式探究“物体颜色与吸热的关系”，用一节课的时间都不够，笔者利用温度传感器轻松解决了这个难题。实验时，笔者让学生在三支温度传感器的探头上套上三种不同颜色的受热棒，将其固定在铁架台上，置于灯光或太阳光下，即得三种颜色的温度变化曲线图（如图2）。

再如，笔者利用智能控制技术改进了研究“金属热胀冷缩”的实验。原先的方案是：在钢条一端加热，另一端插一枚大头针，大头针弯曲即说明钢条受热膨胀。在这个实验中，钢条受热会向没有固定的一端膨胀，大头针倾斜并不明显;热胀的效果需要花费较长时间才能体现，仅靠大头针的倾斜程度并不能达到吸引学生眼球的效果;实验仅能让人看到钢条的热胀，却无法让人看到钢条的冷缩。笔者的改进方法是：将钢丝一端固定，另一端用传感器拉紧，再在中间放蜡烛对其加热，力的示数越来越小，说明钢丝膨胀变长了;取下蜡烛，一段时间后，力又会变大，钢丝冷缩，现象明显。这样操作非常简便，传感器的优势显而易见（如图3）。学生用新方法操作更加便利、有效，热情高涨。

三、化抽象为具体

如何判断声音的高低和强弱，对小学生来说有一定困难。笔者在教学过程中发现小学生很容易混淆音量和音调这两个概念，为此苦恼不已。正当“山重水复疑无路”时，笔者尝试使用声波传感器，豁然开朗。声波传感器可以将看不见的波变成直观化的曲线，直接检测出声音的变化过程，并清晰地在计算机上呈现这一过程（如图4）。当音量增大时，波的振动幅度加大;当音调变高时，波的振动频率增大。笔者使用传感器技术，借助动态图让学生认识到声音是以波的形式传播的，从而减轻了他们的认知负担。

磁对学生来说是很抽象的，教材给出的实验方法是以吸引大头针数量多少来判断电磁铁的磁性强弱。这样实验，学生对磁的认识还是不深。如何解决上述问题？笔者利用磁传感器和电磁铁实验器，指导学生探究影响电磁铁磁性强弱的因素，非常便捷。学生可以在电磁铁实验器上设定线圈圈数和电流大小（如图5）。

电生磁可以用磁传感器，那么磁生电呢？笔者让学生将微电流传感器与线圈连接，用条形磁铁穿过线圈，测出感应电流大小，从而证明电和磁是可以相互转化的。

四、从定性到定量

如果利用传统工具操作，很多实验只能简单定性描述，比较模糊，难以定量分析。例如，蜡烛燃烧产物是什么，对此教材直接写明：燃烧充分的蜡烛生成的是水和二氧化碳，属化学变化。学生只能死记硬背。如果非要检验蜡烛燃烧的产物，学生需要将燃烧后的气体收集起来，通过无水硫酸铜和澄清石灰水来检验，但实验装置复杂，操作困难，实验结果也只是定性描述。

笔者使用传感器，使这个实验大大简化。笔者指导学生将点燃的蜡烛置于气液相密封实验器中，盖上盖子，连上二氧化碳传感器、氧气传感器、相对湿度传感器（软件自动记录蜡烛燃烧过程中氧气、二氧化碳及湿度的变化过程）。待蜡烛熄灭后，停止记录，并利用绘图功能画出三者变化曲线，即可得出实验结论：蜡烛燃烧过程中消耗氧气，产生二氧化碳并有水生成（如图6）。

该装置也可用于探究“呼吸后气体成分的变化”。具体方法是：首先测出空气中二氧化碳、氧气、相对湿度，然后往实验器里吹气，测出呼出气体三者的含量，并与空气作对比，比较人呼出气体与吸入气体成分的变化。

五、用数据证明事实

在小学科学教材中很多现象没有数据的支撑，学生只能记忆。例如，三年级学生要用到酒精灯加热，酒精灯在使用时要用外焰加热，因为外焰温度最高，内焰温度最低。谁高谁低为什么不测一下呢？笔者将点燃的酒精灯放在升降台上，然后将高温传感器固定到铁架台上，并将温度计感应探头置于酒精灯焰心。待温度逐渐上升直到稳定后，笔者降低升降台，依次测量内焰和外焰的温度，让学生观察实验曲线（如图7），知晓酒精灯焰心温度约600 ℃，内焰温度约710 ℃，外焰温度约780 ℃，外焰温度最高，焰心温度最低。

又如，对于能量的转化，教材仅定性地简单描述，如动能转化成热能。朗威传感器套材中有一套摩擦做功实验器（如图8），教师可以用它开展定量实验。笔者首先将实验器固定，然后在实验器黄铜管一侧插入温度传感器，拉动套在黄铜管上的棉绳，使管内气体温度逐渐上升。笔者拉动速度越快，温度上升趋势越明显，让学生认识到在这个实验过程中动能转化成了热能。套材中还有一套地磁场发电机，操作者只需将微电流计连接两个接线柱，转动转台，即可产生电流。这个实验不仅能证明磁可以生电，而且能让学生深刻地认识到地球也是一个大磁体。

再如，“温室效应是由于大气中二氧化碳浓度升高引起的”可以通过实验证明。笔者指导学生先用试管收集空气和二氧化碳，在试管口的位置分别插入两支温度传感器后，将其放入远红外加热器里加热，一定时间后比较两条温度变化曲线图，即可得出结论：二氧化碳气体吸收光线中的红外线造成温度升高，大气中二氧化碳含量提高会造成温室效应。

传感器的应用让人们探索科学更为简便、高效^[1]。这样的变化使得实验目标也跟着变化，最终引发教学方式的变革，同时也会推动我国小学科学教学仪器的更新与升级。

参考文献

[1] 徐春明.传感器在小学科学探究实验中的应用[J].中国教育技术装备，2014（9）.

（作者系浙江省义乌市北苑街道前洪小学教师）

责任编辑：祝元志