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数字化实验配套仪器的创新和完善

2011-07-18 信息来源:浙江省教育技术中心浏览次数:字体:[ ]

    本世纪初的新一轮基础教育课程改革中,优化了中小学的课程结构,同时增加了综合实践活动,为了实施信息技术教育,研究性学习,社区服务与社会实践以及劳动 与技术教育。同时在新课程教材中突出现代技术的应用,生活器具用于实验,社会通用产品引入教学,社会热点问题教学,都对教学仪器设计思路、技术应用和配备 结构产生了影响。新课改让传统教学仪器面临新的挑战,同时“信息技术与课程教材整合”的要求,也给出了一个发展方向。
   一、数字化实验的引入和发展
    以传感技术、计算机技术和通信技术为基础的信息技术在最近的二十年内迅速发展,其广泛应用不仅显著改变了人类的生产、经营甚至生活形态,而且也逐步进入到 学校的教学应用,我们看到多媒体教学、计算机仿真、互联网应用、教学软件管理等等,传统教学只要和信息技术结合,就会迸发出空前的生机和活力。
    以传感器为基础数字化实验设备随着产品技术的成熟,逐步进入了浙江省的实验教学装备。传感器,是一类电子器件的统称。其功能首先在于“感”,即可将距离、 速度、力、热、声、光、电、磁乃至酸碱度、电导率、气体含量等多种变化量转换成电信号,以电信号的变化体现对外界变化量的感知;其次在于“传”,电信号可 被放大、转换、传输、编码、读取,可以通过计算机显示和处理。
    我省这几年主要是在高中物理学科和初中科学学科进行实验室装备,主要配备电流、电压、微电流、温度、压强、位移、力、光电门、声波、磁感应强度、光强分 布、G-M等传感器。从实际教学应用结果看,数字化实验设备有高精度、高密度、多模式、实时性的特点,不仅能做“点测量”,还能做连续测量,并能借助计算 机的处理和显示功能,进行多数据并行测量,数据处理和实验回放。显著提高了实验效率,实验精度和实验质量,能够完成一些传统实验装置很难完成的实验。如: 使用位移传感器测量自由落体的加速度、使用温度和压强传感器进行查理定律实验、使用力传感器测量单导线切割磁力线的感生电流、使用磁传感器测量单导线直线 电流的磁场等。数字化实验的这些优点被教研专家和实验老师广泛仍可。
    但我们也看到数字化实验设备并没有在学校的实验教学上有效的使用,除了学校师生需进行使用培训外,不少难度并不大的实验的效果并不理想,有些实验仅凭传感 器还是做不出来。究其原因,传感器只是一个测量工具,而完成教学实验还需与之相配套的实验装置。一方面传统的配套实验器材与传感器使用不匹配,或是安装不 上,或是精度不够。另一方面部分实验目前还缺乏与传感器一同使用的配套仪器。
    二、配套实验器材的创新和完善
    我们分析了目前高中物理学科的实验,列举了部分受限于实验器材的实验。

实验名称
应用的传统器材存在的问题
测量位移、速度
轨道及小车运动不平滑摩擦力大,造成数据不稳,图线波动
牛二定律
轨道及小车运动不平滑摩擦力大,造成数据不稳,误差大
动能大小的比较
轨道及小车运动不平滑摩擦力大,造成数据不稳,误差大
磁通量变化时的感生电流
螺线管直径过小,磁感应强度不能插入
向心力研究
无法同步采集角速度与向心力数据,实验无法完成
斜面上力的分解
缺乏适合安装传感器且可调倾角的斜面,实验无法完成
匀强磁场研究
螺线管匝数和长径比不符合要求,匀强现象不明显

    至于非教材要求的拓展型实验,受限于配套实验器材的实验数量就更多了。为此,作为教育装备工作,我们除了为学校装备数字化实验设备外,还需重视相关配套仪器的研究和开发。
    案例一:力学轨道小车
    针对运动学实验对高水平轨道系统的迫切需求,我们研究了国内外众多企业的轨道小车系统进行研究。造成误差大的主要原因是轨道表面平滑度不够、小车轮子摩擦 力较大,小车和轨道间摩擦力较大。如果全面换用气垫导轨,虽然精度大幅度提高,但价格昂贵、维护复杂,且存在能耗大、噪音大的缺点,也不是学生实验的理想 装备。
    通过研究发现,采用铝合金一次成形技术,能获得平整度极高,表面光滑的的轨道;采用精密微型轴承可以减少小车轮子摩擦力,减小轮子和轨道间的接触面积可以 减小相互间的摩擦力。此外,为配合相关传感器使用,还需配备相关附件:支架、挂架、磁碰缓冲片、滑轮、配重片、挡光片、固定栓、紧固螺栓、摩擦块等。
    通过改造的轨道小车配合相应的传感器能完成的力学实验包括:动能大小的比较、研究匀速直线运动、从v-t图求加速度、瞬时速度测定、加速度与质量、拉力的关系即牛二定律、动量定理、动能定理、简谐振动、阻尼振动、受迫振动等,获得了良好的实验效果。
    案例二:向心力实验器材
    如果说力学轨道小车改善了运动学实验的效果,提升了实验质量,那么向心力实验器解决了一个类别的实验从无到有的问题,填补了多年来实验教学的空白。
    圆周运动是高中物理力学实验的重点和难点。历年来,国家组织的“自制教具大赛”中均有大量作品围绕圆周运动而设计,也从一个侧面反映了圆周运动标准实验器 材的缺失。圆周运动实验器材的设计难点有二:首先以弹簧秤为代表的测力手段难以测量动态变化的向心力;其次是圆周运动模型构造困难,已有产品无论材料还是 工艺均难以达到定量实验的要求。
    国内企业通过不断的研究,开发出较为理想的圆周运动实验器材,同时综合运用计算机技术,实现向心力数据和角速度的同步测量。
    该仪器设计思路,固定质量物体按固定半径旋转,向心力通过转向装置有过力传感器读出,物体的角速度由挡光杆挡光时间和挡光杆宽度计算得出。
    实验过程与数据分析
    1、将光电门传感器和力传感器分别固定在向心力实验器上,接入数据采集器;
    2、对力传感器调零,转动实验器的悬臂,记录F、t数据;
    3、输入计算线速度和角速度的公式,选取X轴为“ω”,Y轴为“F2”,得到数据点在坐标系内的分布图;数据点的分布具有抛物线特征。通过计算机进行“二次多项式”拟合,发现数据点与拟合线基本重合,验证了事先的猜想,说明F与ω之间系二次方关系;
    4、 固定砝码质量,改变砝码转动半径,重复上述步骤,得到另一条实验图线,固定砝码转动半径,改变砝码质量,获得另一条实验图线,软件“显示坐标”功能,比较ω相同时两条图线F的大小;根据上述结果,总结F与ω、m之间的关系。
    案例三:托里彻利实验器
    自从教育部规定学生实验不允许使用水银后,经典的托里彻利实验无法在学生实验中开展。主要原因是液体材料和测量气压仪器的问题。用水代替水银后,原先1个 大气压的76cm水银高度即变成10米的水的高度,这样的高度显然在学校实验室里是无法实验的。实验时理想的水柱高度1米左右,通过气压变化改变的水柱高 度在0.5米左右,即气压改变量小于5%大气压,现有配套实验器材真空表精度不高,很难准确读取5%~10%大气压的数值。
    气压传感器的引入解决了实验所需测量气压的精度问题,他能达到?%。但是配套的实验器材及装置还需重新设计,一是需要有改变容器内压力的设备,二是在容器 内负压的情况下,水不会倒流进气压传感器。为此我们研究设计了配套气压传感器使用的托里彻利实验装置,让这个经典的学生实验重回课堂。
    由上述实验案例可以看出,仅有数字化实验设备还是远远不够的。没有与之相适应新型实验器材,就等于没有可供传感器采集的信号源。没有测量对象和研究模型, 再好的测量工具也只能是无本之木。反过来。根据实验要求大力开发基于传感器的实验器材,无疑将极大地推动数字化实验教学的创新和完善。
    三、教育工作者的共同努力
    我中心近些年一直致力于数字化实验的配套实验器材的研究和设计,鼓励国内优秀的教学仪器企业进行开发和试制,已有多个高中物理和初中科学配套仪器,并准备着手制定这些配套仪器的标准。
高中配套仪器有:轨道小车,向心力实验器、机械能守恒实验器、力的分解合成实验器、逻辑电路实验器、环形线圈、匀强磁场螺线管。
    初中配套仪器有:远红外加热器,导体电阻实验器,托里彻利实验器,气体做功实验器,声音发生器,摩擦力实验器,机械能-热能转换实验器,焦耳定律实验器,匀速直线运动器,热辐射实验器。
     数字化实验的最终目标不仅是实验工作和配套实验器材的更新,更重要的是促进教师教学思想和教学方法的飞跃,并通过教学活动把这种飞跃传递到学生身上,让 传统实验课堂演变成培养学生动手能力和创新思维的天堂。在实现这个目标之前需要广大教育工作者进一步创新和完善数字化实验的配套资源,解决了师生培训问 题,解决了配套器材问题,解决了教学案例问题,数字化实验必将在不久的将来并发出生机和活力。

 

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