新课程标准理念指导下的传感器教学初探

西南师范大学物理学系　廖正琴

涪陵师范学院物理学系　陈智伯　罗中文

80年代以来，国际上出现了“传感器热”，日本把传感器技术列为80年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代的关键技术，我国把传感器技术列为“八五”、“九五”的重点研究项目之一。由此可见，传感器在当今科技发展中所处的重要地位。2003年3月国家教育部颁布的《全日制高级中学物理课程标准》（以下简称《标准》）紧扣时代脉搏，将传感器的教学纳入其中，并在选修的所有三个模块中都有对传感器教学的要求，反映了《标准》的时代性。

本文将结合自己对课程标准中传感器教学的认识和理解，提供部分教学资源实例，供教师组织教学时参考。

1　对课程标准中传感器教学的理解

1．1 《标准》中对传感器教学的要求

《标准》强调对传感器教学应侧重从技术应用的角度展示物理，强调物理学科与技术的结合，着重体现物理学的应用性、实践性，并使用了诸如“了解”“知道”“体会”“制作”等动词来描述对传感器教学的要求。如，在《标准》的内容标准部分的选修1-1模块、选修2-1模块和选修3-2模块中都有关于传感器的教学描述；另外，在附录的第一部分“物理实验专题”供选择的实验示例中也有“选用传感器制作控制电路”，可见课程标准重视传感器及其应用的教学，并重视物理与STS的联系。

那么，如何理解《标准》中这些关于传感器的描述，从而搞好传感器及其应用的教学呢？

下面，以选修3－2模块为例来说明对课程标准中对传感器教学要求的理解。

1．2 对《标准》中传感器教学要求的理解

选修3-2模块的三个二级主题中有一个是“传感器”，内容标准中要求学生“知道非电学量转换为电学量的技术意义；通过实验知道传感器的工作原理；列举传感器在生产和生活中的应用”，活动建议又一次提出“利用传感器制作简单的自控装置”。

对此，笔者的理解如下：

标准第一点是要求学生知道非电学量转换为电学量的技术意义。对此，学生必须首先知道什么是非电学量和电学量，然后进一步了解二者之间可以相互转换的事实，最后据此了解其在技术上的意义。如，知道温度、照度、气体浓度等为非电学量，而电流值、电压值、电阻值等属于电学量。

标准的第二点要求学生通过实验知道传感器的工作原理。例如，“通过实验认识温度传感器将温度信号转变为电信号的作用”。此处只是指出通过实验的方法，而并未指出究竟是教师演示实验或是学生实验、是课堂实验还是课后实验活动、是否需要探究，等等，所以，教师完全可以根据学生和学校的实际情况，设计符合实际的实验方式。例如，若使用的传感器为高压传感器，为学生安全着想，教师可以采用课堂演示实验的方式；若使用的是低压传感器，就可以让学生进行分组实验。与此相对应，传感器的工作原理可以用教师传授，也可让学生自行探究。若采用教师讲授的方式，则教师应紧密联系生产生活实际介绍传感器的原理和应用，而不必深究传感器的过深理论和难懂的工艺。

标准的第三点是要求学生列举传感器在生产和生活中的应用，如“了解光敏传感器及其在日常生活中的应用”。这一方面要求有条件的学校带领学生参观工厂、商场等地的传感器设备以了解各类传感器的工作原理、外型和作用等，体会传感器给生产、生活带来的各种益处。另一方面还要求学生使用多种资源去收集信息，多整理信息，最后形成书面报告在课堂上与教师和同学交流。这不但能激发学生的学习兴趣，拓展他们的视野，还能培养学生收集信息、与他人进行交流的能力。在教师进行教学评价时，可趁采取口头汇报、照片展、调查报告展等形式，多在结果交流后将调查报告、照片等书面材料装入学生的档案袋中，以便于进行过程性评价。

“活动建议”提出“利用传感器制作简单的自控装置”，即教师应启发学生根据自己生活合实际需要，设计和制作自控装置，而非教师完全包办。在学生遇到困难时，教师可给予适当的引导和启发。让学生在设计和制作过程中加深对传感器原理的理解，培养动脑和动手的技能，培养学生的创新意识和实践能力，同时培养与他人合作的团队精神，最终让学生感受到成功的乐趣。

2　新课程标准理念指导下的传感器教与资源实例

2．1 常见传感器的种类和用途

传感器是能将所感受到的物理量（如力热、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的元件。其应用十分广泛，尤其是在自动绕制和信息处理技术方面的应用。我们大家生活中常用的电视遥控接收器、电冰箱、声控电灯光控电灯、家里用的电饭锅、话筒；工业生产用的红外探测仪、自动报警器、恒温烘箱、光电计数器、涂料添加器等都用到了传感器。

根据其使用的元件不同，传感器可分为电阻式传感器、电容式传感器、光电式传感器、电感式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外线式传感器、光纤式传感器、超声波式传感器、激光式传感器等。但不论哪种传感器，其工作原理都大致相同。

2．2 传感器的工作原理简述

传感器的工作原理为：通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于利用的信号。如光敏电阻和气敏电阻分别对光的强度和气体浓度非常敏感，可以将感受到的光信号和气体浓度信号等电量转化为电量──电阻。

下面，我们将以气敏电阻传感器为例来说明传感器的工作原理。

气敏电阻传感器是一种能将检测到的气体的成分、浓度等变化转化为电阻值（电压、电流值）变化的传感器。TGS109型就是当前被广泛应用的一种。

图1是TGS109型气敏传感器的外形结构。其核心是一个电阻──气敏电阻（用Sn02半导体制成）。

如图2所示，该气敏传感器等效于随气体浓度变化而变化的一个可变电阻R₀在一定浓度范围内，它的电阻值R和浓度C的关系近似为。其中，R₀是在空气中的电阻，C为被测气体的浓度。

可见，测得了电阻R，便测得了气体浓度C，这就把非电量（气体浓度）的测量和控制转化成了对电量（电阻）的测量和控制，实现了传感器的功能。

2．3 利用传感器制作简单的天然气报警器

目前，家用天然气灶和天然气热水器应用十分普遍。天然气的主要成分是甲烷（CH4），若天然气灶或天然气热水器等漏气，轻则影响人的健康，重则对人身安全和财产造成损害（甲烷浓度达到4-16%时会产生爆炸）。因此安装天然气报警器，放置在家中容易漏气的地方，对空气中的天然气进行监控和报警，是有意义和价值的。

由于TGS109型气敏传感器的制作工艺简单、成本低、功耗小、灵敏度高，且主要用于制作燃气报警器。所以，我们将简单介绍如何利用TGS109型气敏传感器制作简单天然气报警器。

原理说明：气敏传感器TGS109在空气中的电阻较大、电流较小、蜂鸣器不发声；当室内天然气浓度约为1%时，它的电阻较低，流经电路的电流较大（此时电流方向如图3中箭头所示），可直接驱动蜂鸣器报警。由于该报警器适用、经济，其中的元件易购、电路简单、方便学生动手制作，所以，广大教师不妨在教学中让学生自己动手制作。

制作前，师生共同准备好电源、蜂鸣器、电阻等制作报警器的必备材料。

制作中，让学生根据简易天然气报警器电路图（图3）连接电路。培养他们的动手能力。

制作完毕后，教师可让学生自行检测其作品是否能实现预期功能。如，用蚊香的烟等来测试报警器。

此外，在部分有余力的学生制作完毕后，可引导他们在天然气报警器的基础上增加部分电路制作成一个自动排风扇。该自动排风扇能感知厨房的油烟、香烟等造成的室内空气污染，少开动扇片，自动净化室内空气。学生若能制作该自动控制系统，对于他们对传感器及其应用的理解会有更深一步的体会。

3　结语

传感器的种类繁多，但各种传感器的原理都是基于各种物理现象和物理效应的，都体现了物理的实践性和应用性。我们对传感器教学时，应侧重于应用，应注意它与基础物理知识合联系，应关注学生的经验，不要过于艰深，应注意培养学生的知识与技能、过程与方法、情感维度与价值观。注意物理与生活的联系，注意物理与STS的联系，尽力提高学生的学习兴趣，使学生感受到知识的巨大用途，培养其能力全面发展，这也是课程标准的总目标“进一步提高科学素养，满足全体学生的终生发展需求”所倡导的。