浙江省小学科学数字化实验指南.docx
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浙江省小学科学数字化实验指南
浙江省小学科学数字化实验指南
目次
1范围…………………………………………………………………………………………29
2规范性引用文件……………………………………………………………………………29
3术语…………………………………………………………………………………………29
4总则…………………………………………………………………………………………30
5管理制度…………………………………………………………………………………30
6实验项目…………………………………………………………………………………30
7实验项目的选择参考因素…………………………………………………………………31
7.1实验项目……………………………………………………………………………31
7.2实验类别……………………………………………………………………………33
7.3传感器………………………………………………………………………………33
8实验项目的仪器……………………………………………………………………………34
9实验方案…………………………………………………………………………………35
9.1测量温度……………………………………………………………………………35
9.2测量磁………………………………………………………………………………38
9.3测量电………………………………………………………………………………39
9.4测量氧气、二氧化碳、湿度………………………………………………………42
9.5测量光………………………………………………………………………………45
9.6测量声………………………………………………………………………………46
9.7测量力………………………………………………………………………………49
10教师开展数字化实验所需知识和能力…………………………………………………54
附录A(资料性附录)小学科学学科数字化实验专用仪器技术条件……………………55
图1不带显示屏的力传感器………………………………………………………………34
图2数据显示模块…………………………………………………………………………34
图3带显示屏的力传感器…………………………………………………………………34
图4测量水的温度实验装置示意图………………………………………………………36
图5比较不同颜色材料的吸热能力实验装置示意图……………………………………36
图6测量水沸腾时的温度实验装置示意图………………………………………………37
图7测量火焰的温度实验示意图………………………………………………………38
图8磁感应强度传感器的使用……………………………………………………………38
图9比较磁铁的磁性强弱实验示意图……………………………………………………39
图10比较电磁铁磁性强弱实验示意图…………………………………………………39
图11禁止用电压传感器测量电网电源的电压…………………………………………40
图12观察水导电和人体导电实验示意图………………………………………………40
图13这样操作将损坏微电流传感器……………………………………………………41
图14观察温差发电实验装置示意图……………………………………………………41
图15制作水果电池实验示意图…………………………………………………………42
图16氧化锆极限式氧传感器结构示意图………………………………………………42
图17测量空气成分与呼出气体实验装置示意图………………………………………43
图18观察光合作用实验装置示意图……………………………………………………44
图19观察水中氧气含量和鱼的活动实验装置示意图…………………………………45
图20观察小苏打和白醋产生二氧化碳实验装置示意图………………………………45
图21测量光的强弱实验示意图…………………………………………………………46
图22观察声波图像实验示意图…………………………………………………………47
图23产生乐音装置示意图………………………………………………………………47
图24产生噪声装置示意图………………………………………………………………48
图25乐音波形……………………………………………………………………………48
图26噪音波形……………………………………………………………………………48
图27500Hz低音,音量大………………………………………………………………49
图28500Hz低音,音量小……………………………………………………………49
图291000Hz高音,音量大……………………………………………………………49
图301000Hz高音,音量小…………………………………………………………49
图31力传感器结构示意图………………………………………………………………50
图32力传感器的正确使用………………………………………………………………50
图33力传感器的显示示意图……………………………………………………………50
图34浮力实验示意图……………………………………………………………………51
图35摩擦力实验装置示意图……………………………………………………………51
图36研究斜面实验示意图………………………………………………………………51
图37研究杠杆实验示意图………………………………………………………………52
图38研究滑轮和滑轮组实验示意图……………………………………………………52
图39比较磁铁不同部位的磁力大小实验示意图………………………………………53
图40观察手臂弯曲时肌肉的力实验装置示意图………………………………………53
表1小学科学可开设的数字化实验…………………………………………………………30
表2各实验项目的说明……………………………………………………………………31
表3各实验项目的实验仪器………………………………………………………………34
表A1小学科学数字化实验专用仪器………………………………………………………55
表A2抽样数和接收/拒收数………………………………………………………………58
1范围
本文件规定了小学科学学科数字化实验的总则、管理制度、实验项目例、实验项目的选择参考因素、实验项目、实验方案,以及开展数字化实验教师所需知识和能力。
本文件适用于浙江省小学科学(使用教科版教材)数字化实验项目的选择和实验仪器的确定。
本文件可作为小学科学数字化实验的参考方案。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T21298-2007实验室玻璃仪器试管
JY0057-1994教学用磁钢
JY172-1984杠杆
JY/T0393-2007教学支架
JY/T0395-2007教学音叉
JY/T0413-2010摩擦计
JY/T0416-2010教学用滑轮
JY/T0424-2011教学用玻璃仪器酒精灯
DB33/T734.1-2009中学理科教学实验仪器基本要求第1部分:
实验数据采集系统
《钩码、槽码》
《R20电池盒》
《浙江省中小学教育技术装备管理规则》
《小学科学数字化实验条件装备要求》
3术语
下列术语适用于本文件。
3.1
计算机实验数据采集系统computerexperimentdataacquisitionsystem
由非电量转换为电学量的传感器采集实验数据,经过A/D转换,由计算机进行数据处理、存储和显示(或者其它执行动作)的系统。
注:
(1)数据处理包括对原始数据进行适合于显示的处理,以及根据使用者需要进行的数学处理。
(2)根据使用者需要进行的数学处理可以包括比较、分析,以及例如多项式(一次、二次、三次)、反比、指数(以e为底和以任意数为底)、对数(自然、常用)、正弦的拟合;求平均数、最大值、最小值;求导和积分的计算。
(3)实验数据计算机采集系统中的电流、电压传感器是不属于非电量转换为电学量的特例,但是其中也需要进行适合于系统进行处理的转换。
(4)本术语不含虽然采用了数字信号处理,但是不具有上述功能的设备。
3.2
数字化实验Digitalexperiment
教学中采用计算机实验数据采集系统进行的对自然现象进行观察、分析、比较、测量等科学实验。
3.3
小学科学数字化实验Digitalexperimentforthejuniormiddleschool"science"discipline
小学《科学》学科开展的数字化实验。
注:
小学科学数字化实验不进行数学计算,直接显示实测数据(个别实验显示图线)。
4总则
4.1小学科学数字化实验项目应由学校根据教学需要选择,并确定开展实验的方式。
教师可以创新研究新的实验项目。
4.2开展数字化信息系统实验的关键在于师资力量。
学校应充分重视师资培训。
教师应多实践,多研究。
5管理制度
按《浙江省中小学教育技术装备管理规则》第2.6~2.8条。
6实验项目例
小学科学学科可开设的数字化实验项目例见表1。
表1小学科学可开设的数字化实验
编号
实验名称
教材
传感器
实验类别
1测量温度
1
测量水的温度
三下
温度
内
学生
2
比较不同颜色材料的吸热能力
五上
温度
内
学生
3
测量水沸腾时的温度
三下
温度
外
演示
4
测量水结冰和冰融化时的温度
三下
温度
内
学生
5
测量火焰的温度
五下
高温
外
2测量磁
6
比较磁铁的磁性强弱
三下
磁
内
学生
7
比较电磁铁磁性强弱
六上
磁
内
学生
3测量电
8
观察水导电和人体导电
四下
微电流
内
学生
9
观察温差发电
六上
电压
外
演示
10
制作水果电池
六上
电压
外
学生
4测量氧气、二氧化碳、湿度
11
测量空气与呼出气体的成分
四上
氧气、二氧化碳、湿度*
内
学生
12
观察光合作用
三上
氧气、二氧化碳
外
学生
13
观察绿色植物的呼吸作用
三上
氧气、二氧化碳
外
学生
表1续小学科学可开设的数字化实验
编号
实验名称
教材
传感器
实验类别
14
观察水中氧气含量和鱼的活动
六上
溶解氧
内
演示
15
观察小苏打和白醋产生二氧化碳
六下
二氧化碳
内
学生
5测量光
16
测量光的强弱
五下(直射、斜射)
光照度
内
学生
6测量声
17
观察声波图像
四上
声
内
演示
18
比较乐音和噪音的图像
四上
声
内
演示
19
比较声音的强弱和高低
四上
声
内
演示
7测量力
20
测量力的大小
五下、六上
力
内
学生
21
研究斜面
六上
力
内
学生
22
研究杠杆
六上
力
内
学生
23
研究滑轮和滑轮组
六上
力
内
学生
24
比较磁铁不同部位的磁力大小
三下
力
内
学生
25
观察手臂弯曲时肌肉的力
四上
力
内
学生
注:
表中“内”表示课内实验,“外”表示课外实验;“演示”表示只适合于做演示实验,“学生”表示也可做学生实验。
*:
测量湿度可放在课外。
各实验所需计算机实验数据采集系统传感器的情况和装备方案详见《小学科学数字化实验条件装备要求》。
专用仪器的要求、试验方法和检验规则见附录A(资料性附录)。
7实验项目的选择参考因素
7.1实验项目
本指南例举的各实验项目选择的因素参见表2。
表2各实验项目的说明
编号
实验名称
说明
测量温度
1
测量水的温度
用温度传感器测量是测温的另一种方式
2
比较不同颜色材料的吸热能力
用温度传感器测量温度,比较不同颜色材料的吸热效果,比使用玻璃液体温度计明显
3
测量水沸腾时的温度
直接演示水的液态和气态互相转变,结合温度测量,知道水沸腾时的温度,是测量温度的另一种方式
4
测量水结冰和冰融化时的温度
测量水结冰和冰融化的温度,是测量温度的另一种方式
5
测量火焰的温度
课外实验,可以测量火焰的温度。
用玻璃液体温度计无法测量火焰温度
表2续各实验项目的说明
编号
实验名称
说明
测量磁
6
比较磁铁的磁性大小
用磁感应强度传感器测量磁铁各部分的磁感应强度,认识磁铁的两极
7
比较电磁铁磁性大小
用磁感应强度传感器测量,研究线圈圈数与磁性强弱的关系,加入铁芯后成为电磁铁,测量电磁铁的磁强度
测量电
8
观察水导电和人体导电
用微电流传感器测量水能够导电,配合“导体与绝缘体”一课内容,可进行安全教育
9
观察温差发电
可以作为“寻找新能源”部分的一个案例,用电压传感器测量温差发电产生的电压
10
制作水果电池
这是趣味实验,用于“各种各样的电池”内容,自制电池
测量氧气、二氧化碳、湿度
11
测量空气与呼出气体的成分
用氧气传感器和二氧化碳传感器测量,对比空气和呼出的气体中氧气和二氧化碳含量的变化,用于呼吸部分的教学。
用湿度传感器测量呼出气体中的水份
12
观察光合作用
用于“植物的生长”内容,用氧气传感器和二氧化碳传感器测量空气中氧气和二氧化碳含量的变化
13
观察绿色植物的呼吸作用
用于与“光合作用”对比,用氧气传感器和二氧化碳传感器测量空气中氧气和二氧化碳含量的变化,观察在同样的条件下,没有光照时植物是否还会吸收二氧化碳,放出氧气
14
观察水中氧气含量和鱼的活动
观察水中溶解氧的含量与鱼的活动,常规方法无法测量
15
观察小苏打和白醋产生二氧化碳
证实小苏打和白醋反应产生二氧化碳
测量光
16
测量光的强弱
用光强度传感器测量光直射和斜射时光强的区别
测量声
17
观察声波图像
用声传感器采集声信号,在计算机屏幕上显示,观察有声和无声时图像变化,是说明“声是物体振动产生的”一种方案
18
比较乐音和噪音的图像
用声传感器采集声音,在计算机屏幕上显示图像,体验乐音和噪音,观察乐音和噪音的图像,用图像便于区分哪些是噪音;多个乐音同时出现,也形成噪音
19
比较声音的强弱和高低
声音的强弱(音量大小)和高低(音调高低)往往是学生不易分清的概念,用音频信号发生器,同时观察声音的图像变化,体验不同大小音量和不同高低音调的感受和图像,认识到声音强弱是振动强弱引起的,声音高低是有振动快慢引起的
测量力
20
测量力的大小
(1)测量浮力。
用力传感器比弹簧测力计方便,可以拉,也可压。
实验内容分为浮的物体和沉的物体的浮力
(2)用力传感器测量不同材料的摩擦力,实验时比使用弹簧测力计稳定,可直接读数
表2续各实验项目的选择
编号
实验名称
情况
21
研究斜面
用力传感器测量斜面不同倾角时沿斜面向高处牵引小车所需的力,实验时比使用弹簧测力计稳定,直接读数
22
研究杠杆
用力传感器测量不同长度动力臂和阻力臂时拉动杠杆所需的力,实验时比使用弹簧测力计稳定,可直接读数,并且弹簧测力计不能向下拉,力传感器则没有此限制
23
研究滑轮和滑轮组
用力传感器测量经过定滑轮、动滑轮和滑轮组牵引重物上升的力,实验时比使用弹簧测力计稳定,可直接读数,并且弹簧测力计不能向下拉,力传感器则没有此限制
24
比较磁铁不同部位的磁力大小
用力传感器测量磁钢不同部位吸引铁块的力,比定性观察能够吸引多少大头针准确
25
观察手臂弯曲时肌肉的力
用力传感器测量模拟手臂结构中上屈时的力,观察使手臂上屈时肌肉的力
7.2实验类别
以下实验宜采用演示实验,不适合课堂学生实验:
1)测量水的温度
因为需要用酒精灯加热,不是很安全,宜只进行演示实验。
2)比较电磁铁磁性大小
本实验需要的电流大,如果使用干电池很不经济。
在小学教学电源中已经安排了电磁铁专用输出,但是无法在学生实验桌上使用。
另一方面,这个实验应该是学生实验,因此建议在课外做,便于轮流使用小学教学电源。
3)观察温差发电
需要使用开水,宜只进行教师演示实验。
4)三个声学实验
因为接在传感器上的数据显示模块不支持声传感器,并且使用声传感器的实验都是需要观看图像的,因此必须使用计算机,其中的音频信号发生器也需使用交流电源。
所以这三个实验只适合于教师演示。
其余都可以适用于学生实验。
7.3传感器
7.3.1《浙江省小学科学数字化实验条件装备要求》中的传感器种类和数量是根据本标准的实验项目列出的。
同一个实验项目也可有不同的实验方案,因此所需传感器种类和数量可能是不同的,因此应注意这方面的情况,并根据实验需要选择传感器种类和数量。
目前由于数字化信息系统实验配套仪器并没有标准化,并且各企业的传感器性能也不完全一致,配套仪器也没有普遍生产,因此采购以前需要具体了解企业的产品情况和配套情况。
本规范列出的只是按本标准第5章的实验项目和第8章的实验方案所需的传感器和配套仪器。
DB33/T734.1-2009《中学理科教学实验仪器基本要求第1部分:
实验数据采集系统》见浙江省地方标准网,网址:
Fttp:
//
7.3.2因为学生实验桌上不应安装电网电源插座,同时小学生不能理解实验图线,因此学生实验用传感器应采用带显示屏的方式,直接显示数字。
带显示屏的传感器(例)见图1~图3。
显示屏是通用的。
传感器可接计算机,也可接显示屏。
图1不带显示屏的力传感器图2数据显示模块
图3带显示屏的力传感器
8实验项目的仪器
各实验项目所需的除传感器以外配套实验仪器见表3。
其中“目录中”是小学数学科学教学仪器配备目录中已列的,“需增配”是传感器实验专用的。
按小学科学开设实验项目,所需的配套实验仪器见表3。
表3各实验项目的实验仪器
编号
实验名称
实验仪器
目录中
需增配
测量温度
1
测量水的温度
塑料量杯100mL
2
比较不同颜色材料的吸热能力
热辐射吸收实验器支架、黑色、白色、反光、红色、绿色、蓝色金属圆柱体
3
水沸腾时的温度
烧杯、酒精灯、方座支架、石棉网。
4
水结冰和冰融化的温度
试管、烧杯
5
测量火焰的温度
酒精灯
测量磁
6
磁钢的磁性大小
条形磁钢
7
电磁铁磁性大小
电磁铁组装材料
测量电
8
水导电、人体导电
塑料杯、电极、连接导线、电池盒一个、干电池一个
9
观察温差发电
半导体致冷器(温差发电)、1.5V/0.3A灯泡
10
制作水果电池
铜片、锌片各二片,连接导线、发光二极管
表3续各实验项目的实验仪器
编号
实验名称
实验仪器
目录中
需增配
测量氧气、二氧化碳、湿度
11
测量空气成分与呼出气体
12
光合作用
气液相多功能采集装置
13
卧室的绿色植物
气液相多功能采集装置、黑布
14
水中氧气和鱼的活动
鱼缸,带气泵
15
小苏打和白醋产生二氧化碳
烧杯
测量光
16
测量光的强弱
测量声
17
看见声波
音叉256Hz、512Hz
18
乐音和噪音的区别
弹簧片、音叉256Hz、512Hz
音频发生器,带功率放大和扬声器
19
声音的强弱和高低的区分
音频发生器,带功率放大和扬声器
测量力
20
测量力的大小
塑料量杯500mL、钩码、木块
摩擦计
21
研究斜面的作用
斜面、小车、方座支架
22
杠杆省力和费力
杠杆、方座支架、钩码
23
研究滑轮和滑轮组的作用
滑轮组、方座支架
24
磁铁不同部位的磁力大小
条形磁钢
带钩铁块
25
手臂弯曲时肌肉的力
钩码、方座支架
手臂上屈模型
9实验方案
9.1测量温度
9.1.1温度传感器常识
传感器是把非电物理量转变为电学量(电流)的器件。
通过各种敏感元件转变为电学量。
温度传感器是测量物体温度的,相当与数字温度计。
温度传感器是利用对温度敏感的元件,例如半导体材料、金属材料等都可作为温度传感元件。
温度传感器用半导体元件,高温传感器用铂电阻。
由于半导体材料不耐高温,因此只使用于130℃以下的温度,温度过高将损坏。
铂电阻耐高温并且有很好的线性。
温度传感器和高温传感器都有一个探头,外部是金属套。
探头有导线连接在一个小盒子上,盒中是一些电路。
用温度传感器测量温度时必须将传感器探头放在被测物体中,并且将探头连接在温度传感器电路盒上。
温度测量时的显示:
“+”表示零上,“-”表示零下,单位是摄氏度。
9.1.2实验
9.1.2.1测量水的温度
9.1.2.1.1实验仪器
使用以下实验器材:
1)温度传感器1个;
2)数据显示模块、杯子。
9.1.2.1.2实验方案
用两个温度传感器测量两个杯子中的水温。
测量教室中空气的温度。
实验装置见图4。
图4测量水的温度实验装置示意图
9.1.2.2比较不同颜色材料的吸热能力
9.1.2.2.1实验仪器
使用以下实验器材:
1)温度传感器3个;
2)热辐射吸收实验器支架:
同时固定三个温度传感器探头,间距35mm±2mm;可固定在方座支架上,附黑色、白色、反光、红色、绿色、蓝色金属圆柱体(能套在温度传感器探头上)。
9.1.2.2.2实验方案
用三个温度传感器同时测量,对比黑色、白色、反光、红色、绿色、蓝色物体在相同光照条件下的温度变化。
实验装置见图5。
图5比较不同颜色材料的吸热能力实验装置示意图
实验时可以更换不同颜色的金属棒,也可用两套实验仪器,各安装三个不同颜色的金属棒,一起开始实验。
9.1.2.3测量水沸腾时的温度
9.1.2.3.1实验仪器
使用以下器材:
1)温度传感器1个;
2)烧杯100mL或者250mL,按GB/T15724-2008;
3)酒精灯,按JY/T0424-2011;
4)方座支架,按J
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