红绿灯科学实验原理

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红绿灯科学实验原理范文第1篇

【关键词】 传感器;初中科学实验;应用;意义;内容;措施

一、现实背景及意义

初中科学是集物理、化学、生物和自然地理于一体的综合性课程，目前全国范围内仅在浙江省全省施行。科学课程“以提高学生的科学素养为宗旨”，[1]实验活动是科学课程实现其教学目标的重要载体，也是学生掌握方法，体验过程和感受科学精神不可或缺的途径。

信息技术的迅猛发展，迫使学校的传统教学随之变革，如此才能使我们的学生紧跟时代步伐，做到与时俱进。早在1997年2月美国总统克林顿就提出：“给我们的孩子最好的教育，我们必须帮助他们利用强大的技术。” 随着科技竞争的日益激烈，以计算机为核心的ICT（Information and Communication Technology）与教育的整合已经成为当前教育改革的一种重要趋势，而传感器技术的发展成熟，恰恰给教学带来了这样的变革机遇。 “从上世纪80年代开始，传感器技术就在国外发达国家尤其美国的中学理科教学中得到广泛应用。” [2]

西方国家的学校在过去20多年里已经投资大量资金应用于ICT方面。现在ICT已经成为一种被应用在学习过程中的教育工具。国内这方面的起步要晚些，“到上世纪90年代中期，北京、上海的部分中学已经开始在教学实验中使用自制的传感器实验设施。”[3]从应用的地区和年段来看，也主要集中在经济较发达地区，如北京、上海，且在高中数学、物理、化学和生物等课程中有所应用，初中科学实验中应用传感器尚处于起步阶段，只零星体现在教师教学比赛及教师实验创新比赛中。因此，我们急需追上时代的步伐，让学生在初中阶段就能接触到科学与计算机课程的整合，并由此鼓励学生对常见的科学实验进行创新，推动学生的发明创造。

传感器可把自然界中的各种物理量和化学量等变量精确地变换为电信号，再经电子电路或计算机进行处理，从而对这些量进行检测或控制。图1表示了传感器的基本工作原理。

传感器在信息采集过程中，与人的五官及传统实验相比，有更大的感知范围和更高的精确度，在实验中能够将感受到的各种量，如：力、热、声、光、化学物质的种类和浓度转换成便于测量的电学量;能感受到各种微弱的信号，并能放大、传输、存储显示，并可利用计算机强大的运算和数据处理功能作出必要的输出控制。所以，应用传感器技术的显著优点之一，便是可以将传统实验无法直观显示出的上述物理量直接以表格、曲线、刻度等形式呈现给学生，易于学生接受。再者，传感器技术能方便、快捷地完成实验数据采集和结果分析、推测，还可提供数据统计、公式计算、曲线拟合等。便于实验的观察、操作，使科学实验不受简单测量工具精确度以及人工采集数据需有一定时间间隔的限制。

因此，在科学实验中引入传感器技术，是对传统实验的一种有力补充，既拓宽了科学探究型实验的内容，又能使初中科学实验更容易由定性转为定量，甚至变模拟实验为真实实验（如磁场），实现初中阶段科学课程和计算机技术的有机整合。本研究通过教师和学生共同完成初中科学课程中能与传感器有机结合的16个实验活动，点燃一部分计算机能力较强，愿意尝试把所学所用结合起来的学生的激情，从传统的听、讲、练提升到动脑思考，动手操作，合作完成一项或以上把课堂知识应用于生活实例的探究尝试，让学生关注课堂外的实践应用，体悟与人合作的重要性，培养合作意识，提高实验设计、实验操作能力，促进教学模式的多样化，培养学生的创新精神和创新能力。

二、可应用的主要内容

在初中科学实验教学中应用传感器技术，不能脱离科学教材。笔者选取宁波市初中统一使用的华东师范大学出版社最新出版的《义务教育教科书・科学》七上、七下（2012年版），八上、八下（2013年版）和九上、九下（2014年版）共六册为蓝本，结合查阅的文献资料，经过与本校其他三位科学教师的集体商讨，并就其结合可行性专门请教了哈尔滨工业大学计算机应用技术专业博士毕业，在高校任教的钟秋波副教授，最终确定有6种传感器可以应用于初中科学中的16个实验活动，并根据操作的简便与否，有无必要演示，分为教师演示和学生拓展活动，具体如下表：

表1 可应用传感器的科学实验活动

传感器类型 序号 科学教材 实验、活动名称 应用类型

册 章 节 页码

压力传感器 1 八上 2 2 44 实验：探究液体内部压强的特点 学生拓展

2 3 3 70 活动：探究浮力的大小 教师演示

3 八下 5 1 93 探究条形磁铁、马蹄形磁铁，同名和异名磁极周围的磁场分布规律 学生拓展

4 2 97 活动：观察电流周围的磁场

5 九上 5 2 95 活动：探究定滑轮、动滑轮、滑轮组的拉力大小 教师演示

分子浓度传感器 6 八上 4 4 105 活动：光合作用产生氧气 学生拓展

7 106 活动：光合作用吸收二氧化碳

8 109 活动：萌发的种子吸收氧气

9 活动：种子呼吸释放二氧化碳

温度传感器 10 七下 1 2 10 活动：观察冰的熔化过程 教师演示

11 实验：观察水的沸腾

12 八上 4 4 110 活动：种子呼吸时放出热

光感传感器 13 八下 2 1 17 活动：探究光反射的规律 教师演示

14 2 23 活动：探究光的折射的特点

电导率传感器 15 八下 4 5 81 实验：检验欧姆定律 学生拓展

光电传感器 16 设计可据路口车流量的变化而更改时间的红绿灯 学生拓展

上表1～15个实验活动来自教材，第16个计划在学生学习完电学知识后开展，并希望可实现更多的科学实验活动与传感器技术的整合。

三、操作措施及目标

表1中的这16个实验活动，除教师演示外，学生拓展活动考虑到实施的具体可行性，选择本年级段有一定计算机基础，并对科学探究兴趣浓厚的学生组建一支队伍，依托本校的拓展课，在老师的指导下以课外活动小组的形式展开。 因此，涉及三个年级，共需三位及以上指导老师，同时分上、下学期历时一年完成。

在组建课外活动小组上，教师首先要对本年级段学生的计算机能力水平，科学探究兴趣程度进行摸底调查。具体可通过对学生发放问卷调查，采访班主任，个别约谈等方式进行，并遵循自愿自主的原则，在学生报名的基础上进行甄选确定。时间上，充分利用宁波外国语学校拓展课集中指导，完成设计、组装，并鼓励学生利用校外资源，在周末对本实验活动进行深入研究，不断完善。

通过教师演示和学生课外活动小组的自主设计探究两条线，希望能达成以下目标：1.以点带面，调动学生对科学探究的热情。通过教师演示，活动小组成果展示，提高同学们革新传统科学实验活动的积极性。2.为有一定计算机特长并科学探究兴趣浓厚的学生搭建锻炼平台，从设计到展示，全面锻炼学生的思维能力，动手操作能力，寻求指导、解决问题能力及团队协作能力。3.使物理、化学、生物和计算机学科知识实现有机整合，培养学生的学科综合知识，拓宽学生视野。4.通过对综合设计、整合应用的关注，提高学生的科学素养。培养学生求真、求实、理性、创新的科学态度，提升学生注重实践、实事求是、不畏艰难、谦恭、协作、服务社会的科学精神，提升学生作为社会一员的公民责任感。5.鼓励创新，争取学生团队自主设计并完成1～2个创新实验。既能参阅资料，重现前人完成过的实验活动，亦能独立思考，自我成长，在老师的指导下，实现创新。

四、可能遇到的问题

科学教师的计算机功底毕竟较浅薄，在具体实验活动中，可能会遇到一些困难，比如传感器与计算机如何连接;如何设计参数体现实验活动变量，呈现结果;学生设计不完善，学生遇到的实际操作问题不能有效解答等。若是遇到问题，教师一定要秉着学习提高的态度，充分利用网络信息资源，借助团队的力量，至联系高校，依托高校的实验室和技术支持，谦虚请教，集体商讨，不懈努力，必能妥善加以解决。

【参考文献】

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育・初中科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2011.

[2] 谢紫鹃.传感器技术在中学物理实验教学中的应用研究[D].新乡：河南师范大学，2007.2.

[3] 张海燕.浅谈现代先进教学设备对初中科学教学的影响[J].科学教育，2011（4）81.

[4] 华泽玺，王栋.基于实验的传感器教学改进方法.教育教学论坛[J].2014（21）23-24.

[5] 张洪润，张亚凡.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6] 徐存焕.传感器技术在中学物理实验教学中的应用[J].科学教育研究，2014（27）80-81.

[7] 林玉龙.传感器在初中物理实验教学中的应用[J].中国教育技术装备，2013（11）116-117.