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紅綠燈科學(xué)實(shí)驗(yàn)原理范文第1篇

【關(guān)鍵詞】 傳感器;初中科學(xué)實(shí)驗(yàn);應(yīng)用;意義;內(nèi)容;措施

一、現(xiàn)實(shí)背景及意義

初中科學(xué)是集物理、化學(xué)、生物和自然地理于一體的綜合性課程，目前全國(guó)范圍內(nèi)僅在浙江省全省施行。科學(xué)課程“以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨”，[1]實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是科學(xué)課程實(shí)現(xiàn)其教學(xué)目標(biāo)的重要載體，也是學(xué)生掌握方法，體驗(yàn)過程和感受科學(xué)精神不可或缺的途徑。

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，迫使學(xué)校的傳統(tǒng)教學(xué)隨之變革，如此才能使我們的學(xué)生緊跟時(shí)代步伐，做到與時(shí)俱進(jìn)。早在1997年2月美國(guó)總統(tǒng)克林頓就提出：“給我們的孩子最好的教育，我們必須幫助他們利用強(qiáng)大的技術(shù)?！?隨著科技競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，以計(jì)算機(jī)為核心的ICT（Information and Communication Technology）與教育的整合已經(jīng)成為當(dāng)前教育改革的一種重要趨勢(shì)，而傳感器技術(shù)的發(fā)展成熟，恰恰給教學(xué)帶來(lái)了這樣的變革機(jī)遇。 “從上世紀(jì)80年代開始，傳感器技術(shù)就在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家尤其美國(guó)的中學(xué)理科教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用?！?[2]

西方國(guó)家的學(xué)校在過去20多年里已經(jīng)投資大量資金應(yīng)用于ICT方面?，F(xiàn)在ICT已經(jīng)成為一種被應(yīng)用在學(xué)習(xí)過程中的教育工具。國(guó)內(nèi)這方面的起步要晚些，“到上世紀(jì)90年代中期，北京、上海的部分中學(xué)已經(jīng)開始在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用自制的傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)施?！盵3]從應(yīng)用的地區(qū)和年段來(lái)看，也主要集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，如北京、上海，且在高中數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物等課程中有所應(yīng)用，初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用傳感器尚處于起步階段，只零星體現(xiàn)在教師教學(xué)比賽及教師實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新比賽中。因此，我們急需追上時(shí)代的步伐，讓學(xué)生在初中階段就能接觸到科學(xué)與計(jì)算機(jī)課程的整合，并由此鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)常見的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，推動(dòng)學(xué)生的發(fā)明創(chuàng)造。

傳感器可把自然界中的各種物理量和化學(xué)量等變量精確地變換為電信號(hào)，再經(jīng)電子電路或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而對(duì)這些量進(jìn)行檢測(cè)或控制。圖1表示了傳感器的基本工作原理。

傳感器在信息采集過程中，與人的五官及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，有更大的感知范圍和更高的精確度，在實(shí)驗(yàn)中能夠?qū)⒏惺艿降母鞣N量，如：力、熱、聲、光、化學(xué)物質(zhì)的種類和濃度轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電學(xué)量;能感受到各種微弱的信號(hào)，并能放大、傳輸、存儲(chǔ)顯示，并可利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能作出必要的輸出控制。所以，應(yīng)用傳感器技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)之一，便是可以將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法直觀顯示出的上述物理量直接以表格、曲線、刻度等形式呈現(xiàn)給學(xué)生，易于學(xué)生接受。再者，傳感器技術(shù)能方便、快捷地完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和結(jié)果分析、推測(cè)，還可提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、公式計(jì)算、曲線擬合等。便于實(shí)驗(yàn)的觀察、操作，使科學(xué)實(shí)驗(yàn)不受簡(jiǎn)單測(cè)量工具精確度以及人工采集數(shù)據(jù)需有一定時(shí)間間隔的限制。

因此，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入傳感器技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一種有力補(bǔ)充，既拓寬了科學(xué)探究型實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，又能使初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)更容易由定性轉(zhuǎn)為定量，甚至變模擬實(shí)驗(yàn)為真實(shí)實(shí)驗(yàn)（如磁場(chǎng)），實(shí)現(xiàn)初中階段科學(xué)課程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)整合。本研究通過教師和學(xué)生共同完成初中科學(xué)課程中能與傳感器有機(jī)結(jié)合的16個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，點(diǎn)燃一部分計(jì)算機(jī)能力較強(qiáng)，愿意嘗試把所學(xué)所用結(jié)合起來(lái)的學(xué)生的激情，從傳統(tǒng)的聽、講、練提升到動(dòng)腦思考，動(dòng)手操作，合作完成一項(xiàng)或以上把課堂知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)例的探究嘗試，讓學(xué)生關(guān)注課堂外的實(shí)踐應(yīng)用，體悟與人合作的重要性，培養(yǎng)合作意識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作能力，促進(jìn)教學(xué)模式的多樣化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

二、可應(yīng)用的主要內(nèi)容

在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用傳感器技術(shù)，不能脫離科學(xué)教材。筆者選取寧波市初中統(tǒng)一使用的華東師范大學(xué)出版社最新出版的《義務(wù)教育教科書?科學(xué)》七上、七下（2012年版），八上、八下（2013年版）和九上、九下（2014年版）共六冊(cè)為藍(lán)本，結(jié)合查閱的文獻(xiàn)資料，經(jīng)過與本校其他三位科學(xué)教師的集體商討，并就其結(jié)合可行性專門請(qǐng)教了哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)博士畢業(yè)，在高校任教的鐘秋波副教授，最終確定有6種傳感器可以應(yīng)用于初中科學(xué)中的16個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，并根據(jù)操作的簡(jiǎn)便與否，有無(wú)必要演示，分為教師演示和學(xué)生拓展活動(dòng)，具體如下表：

表1 可應(yīng)用傳感器的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

傳感器類型 序號(hào) 科學(xué)教材 實(shí)驗(yàn)、活動(dòng)名稱 應(yīng)用類型

冊(cè) 章 節(jié) 頁(yè)碼

壓力傳感器 1 八上 2 2 44 實(shí)驗(yàn)：探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點(diǎn) 學(xué)生拓展

2 3 3 70 活動(dòng)：探究浮力的大小 教師演示

3 八下 5 1 93 探究條形磁鐵、馬蹄形磁鐵，同名和異名磁極周圍的磁場(chǎng)分布規(guī)律 學(xué)生拓展

4 2 97 活動(dòng)：觀察電流周圍的磁場(chǎng)

5 九上 5 2 95 活動(dòng)：探究定滑輪、動(dòng)滑輪、滑輪組的拉力大小 教師演示

分子濃度傳感器 6 八上 4 4 105 活動(dòng)：光合作用產(chǎn)生氧氣 學(xué)生拓展

7 106 活動(dòng)：光合作用吸收二氧化碳

8 109 活動(dòng)：萌發(fā)的種子吸收氧氣

9 活動(dòng)：種子呼吸釋放二氧化碳

溫度傳感器 10 七下 1 2 10 活動(dòng)：觀察冰的熔化過程 教師演示

11 實(shí)驗(yàn)：觀察水的沸騰

12 八上 4 4 110 活動(dòng)：種子呼吸時(shí)放出熱

光感傳感器 13 八下 2 1 17 活動(dòng)：探究光反射的規(guī)律 教師演示

14 2 23 活動(dòng)：探究光的折射的特點(diǎn)

電導(dǎo)率傳感器 15 八下 4 5 81 實(shí)驗(yàn)：檢驗(yàn)歐姆定律 學(xué)生拓展

光電傳感器 16 設(shè)計(jì)可據(jù)路口車流量的變化而更改時(shí)間的紅綠燈 學(xué)生拓展

上表1～15個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來(lái)自教材，第16個(gè)計(jì)劃在學(xué)生學(xué)習(xí)完電學(xué)知識(shí)后開展，并希望可實(shí)現(xiàn)更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)與傳感器技術(shù)的整合。

三、操作措施及目標(biāo)

表1中的這16個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，除教師演示外，學(xué)生拓展活動(dòng)考慮到實(shí)施的具體可行性，選擇本年級(jí)段有一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，并對(duì)科學(xué)探究興趣濃厚的學(xué)生組建一支隊(duì)伍，依托本校的拓展課，在老師的指導(dǎo)下以課外活動(dòng)小組的形式展開。 因此，涉及三個(gè)年級(jí)，共需三位及以上指導(dǎo)老師，同時(shí)分上、下學(xué)期歷時(shí)一年完成。

在組建課外活動(dòng)小組上，教師首先要對(duì)本年級(jí)段學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力水平，科學(xué)探究興趣程度進(jìn)行摸底調(diào)查。具體可通過對(duì)學(xué)生發(fā)放問卷調(diào)查，采訪班主任，個(gè)別約談等方式進(jìn)行，并遵循自愿自主的原則，在學(xué)生報(bào)名的基礎(chǔ)上進(jìn)行甄選確定。時(shí)間上，充分利用寧波外國(guó)語(yǔ)學(xué)校拓展課集中指導(dǎo)，完成設(shè)計(jì)、組裝，并鼓勵(lì)學(xué)生利用校外資源，在周末對(duì)本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行深入研究，不斷完善。

通過教師演示和學(xué)生課外活動(dòng)小組的自主設(shè)計(jì)探究?jī)蓷l線，希望能達(dá)成以下目標(biāo)：1.以點(diǎn)帶面，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的熱情。通過教師演示，活動(dòng)小組成果展示，提高同學(xué)們革新傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的積極性。2.為有一定計(jì)算機(jī)特長(zhǎng)并科學(xué)探究興趣濃厚的學(xué)生搭建鍛煉平臺(tái)，從設(shè)計(jì)到展示，全面鍛煉學(xué)生的思維能力，動(dòng)手操作能力，尋求指導(dǎo)、解決問題能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。3.使物理、化學(xué)、生物和計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)整合，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科綜合知識(shí)，拓寬學(xué)生視野。4.通過對(duì)綜合設(shè)計(jì)、整合應(yīng)用的關(guān)注，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。培養(yǎng)學(xué)生求真、求實(shí)、理性、創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，提升學(xué)生注重實(shí)踐、實(shí)事求是、不畏艱難、謙恭、協(xié)作、服務(wù)社會(huì)的科學(xué)精神，提升學(xué)生作為社會(huì)一員的公民責(zé)任感。5.鼓勵(lì)創(chuàng)新，爭(zhēng)取學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并完成1～2個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。既能參閱資料，重現(xiàn)前人完成過的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，亦能獨(dú)立思考，自我成長(zhǎng)，在老師的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

四、可能遇到的問題

科學(xué)教師的計(jì)算機(jī)功底畢竟較淺薄，在具體實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，可能會(huì)遇到一些困難，比如傳感器與計(jì)算機(jī)如何連接;如何設(shè)計(jì)參數(shù)體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)變量，呈現(xiàn)結(jié)果;學(xué)生設(shè)計(jì)不完善，學(xué)生遇到的實(shí)際操作問題不能有效解答等。若是遇到問題，教師一定要秉著學(xué)習(xí)提高的態(tài)度，充分利用網(wǎng)絡(luò)信息資源，借助團(tuán)隊(duì)的力量，至聯(lián)系高校，依托高校的實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)支持，謙虛請(qǐng)教，集體商討，不懈努力，必能妥善加以解決。

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