传感技术在初中科学实验教学中的运用实践

新课改的背景下, 实验作为一种独特的教学形式, 更加强调学生“做科学”, 强调“活动探究”。 基于传感技术的科学实验, 是以传感器为核心工具, 与信息技术相整合, 实现了科学实验过程中数据自动采集、直观显示以及实验数据的图形化。

初中科学实验的传感技术系统是由传感器、 数据采集器、配套软件和计算机组成的。 它的工作原理是利用传感器把外部感应信号转化为电信号传输给数据采集器, 由数据采集器对信号进行初步处理传送给计算机, 然后由计算机运行实验配套软件对实验数据进行实时分析、统计和拟合等处理。 适用于初中科学实验的传感器有包括力、电压、电流、微电压、微电流、磁感应、光照、光强分布、气压、音频、加速度、PH、温度、湿度、溶解氧、氧气、二氧化碳等多种理化生传感器, 它们可以应用于不同的实验课题。 传感技术具有直观性、定量性、简易化、探究性等优点, 传感技术已经成为初中科学实验教学的一项 “新式武器”。

1传感技术运用于中学实验教学的现状

1.1 国外中学理科实验中的应用

上世纪80 年代起, 传感技术逐步在欧洲一些国家、尤其是美国的中学理科教学中广泛应用。 传感技术在这些国家理科教学中的应用以促进学生科学探究为目的, 打破了传统的教学模式和方法。 20 世纪末在欧洲的一些发达国家提出了很多有利于提高学生学习成效和学习兴趣的教学模式和学习方式, 如移动学习 (M—learning) 、数字学习 (E—learning) 等。美国也出版了不少关于传感技术在中学科学实验中如何应用的教科书。 例如:Chemistry with Computer ( 包含31 个实验) 、Chemistry with Calculator (包含36 个实验) 等。 他们的这些探索和努力, 推进了传感技术的发展, 同时也扩大了其在世界上影响程度。

1.2 国内中学科学实验中的应用

目前, 传感技术的“硬件”设备已装备到我国的各沿海地区学校, 在部分高中化学教学过程中也有所应用与设计。 然而, 在很多初中学校, 很多本来可用传感技术代演的教学内容, 还是采用口述的理论讲解, 学校老师大多也只是利用计算机进行简单的课堂教学辅助, 如播放PPT、科学视频, 很少将传感实验搬到课堂中来辅助教学, 传感仪器成了学校的摆设。

2传感技术在初中科学实验教学中的运用实践

2.1 化抽象为具体

初中生以形象思维为主, 抽象思维能力较弱。 在初中科学中会存在一些较抽象的科学概念, 往往导致学生无法较好地理解。 因此, 可以利用传感技术的介入, 让学生对抽象的概念有具体形象化的认识, 使课堂成为真正意义上的有效课堂。

案例一:《耳和听觉》第二课时

本节课“声音的特性”为七年级下第二章第二节 《耳和听觉》的第二课时, 是学生认识人的功能的直接素材, 同时音乐知识的传授和基于传感技术的初中科学实验的引入, 还能激发学生的学习兴趣。 音色是声音三要素中最抽象的概念, 教材只是简单指出了声音有这个特征, 而没有进一步探讨, 学生较难理解这个抽象的概念。 因此在教学中可以引入传感技术, 通过观看不同同学的声音的波形图, 使学生了解到声音的音色因人而异。 通过基于传感技术的初中科学实验过程, 让学生对抽象的科学概念有了具体形象的认识, 对于这节课的“新朋友”———传感器, 学生表现出极大的兴趣, 学习的劲头很高。 同时, 教师也可以花较少的时间讲清楚音色的概念, 提高了课堂的效率。

2.2 化静态为动态

科学的课堂离不开实验的支持, 传统的实验在操作过程中虽然可以观察到实验现象, 但是当实验现象比较难以分辨时, 利用传感技术还可以扩大学生的观察范围和增强观察的效果, 让学生清晰地看到实验变化的动态过程。 比如温度传感器, 它可以让学生清晰地看到任何一个时刻的温度和温度变化的规律。

案例二:冰的熔化实验

浙教版初中《科学》七年级上册第四章中有一个“固体熔化”的学生活动实验, 实验内容采用酒精灯水浴分别加热硫代硫酸钠晶体和松香固体, 并用温度计每隔30 秒一次记录加热过程中两者固体的温度, 从而实验得出晶体 (硫代硫酸钠) 与非晶体 (松香) 在熔化过程中温度随时间变化的曲线图。通过书本上这样的实验设计, 理论上确实可以完成实验任务, 但在实际的实验操作过程中, 却也存在着很多不足。 一方面, 学生要时刻进行温度计的读数, 在实验操作上很繁琐且实验时间较长, 学生很容易读错或记错实验数据, 可操作性不强;另一方面, 固体在熔化的过程中, 其温度的变化可能不是十分明显, 很容易引发温度计读数的误差。 在改进的实验中, 笔者采用温度传感器, 来测量冰在熔化过程中温度随时间的变化情况, 并由实验软件绘制出冰熔化的图像。

通过实验数据图, 学生可以看出冰在融化的过程中, 其温度随时间变化呈一定的线性关系。 由此, 学生可以很清晰的知道, 冰是一种晶体, 有一定的熔点, 熔点温度为0℃, 且在熔点时为冰水混合物状态。

2.3 课内延伸到课外

学生在课外活动中, 利用所学的知识和技能去解决生活和社会中的问题, 可以不断地将新的知识融入到原有的认知结构中去, 从而真正提高他们的科学素养。 例如, 利用传感技术可以进行钱塘江水质的调查、温室效应问题的研究、溶解氧与水温的关系等等。

例如, 浙教版初中《科学》八年级上册第21 页中涉及到有关溶质的相关知识内容, 但书本中并未明确的给出有关气体作为溶质在水中溶解的溶解度大小及其影响因素, 只是以“河水可以养鱼, 说明河水中溶解了什么物质?它是溶质吗?”这一思考问题加以带过。 笔者认为, 可以开展一个以“水中溶解氧与水温之间的关系”为主题的学生课外实践活动, 利用温度传感器和溶解氧传感器来进行实验探究, 以便让学生更深刻的了解水中气体的溶解度的影响因素。

将先进的传感技术引进科学实验, 不仅降低了实验难度, 也加强了实验的探究性, 更有利于学生科学素养的培养。 目前, 传感技术在中学实验教学中的应用还是比较前沿的研究。 作为初中的科学教师, 我们应该努力学习和掌握传感技术这一“新式武器”, 使它在我们的教学中真正发挥作用。

摘要：将传感技术这一“新式武器”运用于初中科学实验教学活动中, 不仅可以将抽象的科学概念形象化、将传统的静态的实验过程动态化, 还能促使学生去探索生活中的科学现象, 从而不断提高他们的科学素养。

关键词：初中科学,实验教学,传感技术