摘要： 為提高學(xué)生的物理建模能力，教師聯(lián)系生活實(shí)際，以手機(jī)壓力傳感器測(cè)高原海拔為情境，分析原理，開展制作簡(jiǎn)易樓層計(jì)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，有利于發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。實(shí)踐證明，結(jié)合生活恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用技術(shù)開展物理教學(xué)能拓寬思路、創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);壓力傳感器;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，這集中體現(xiàn)了物理學(xué)科的育人價(jià)值。如何將技術(shù)融合到物理課堂教學(xué)之中，實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)落地，是物理教師努力研究的重要課題?！墩n標(biāo)》明確要求：“教學(xué)中應(yīng)根據(jù)本模塊所學(xué)物理模型的特點(diǎn)，聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，從多個(gè)角度創(chuàng)設(shè)情境，提出與物理學(xué)有關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生討論，讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)模型的必要性及方法?！毕旅?，筆者結(jié)合生活實(shí)際，介紹如何科學(xué)應(yīng)用MEMS傳感器技術(shù)中的壓力傳感器開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、關(guān)于MEMS傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，簡(jiǎn)稱MEMS）是在融合微電子技術(shù)與精密機(jī)械技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的工程技術(shù)。它的尺寸在1 微米到100 微米量級(jí)，包括機(jī)械、光學(xué)、電子、熱學(xué)、生物等功能部件，分傳感器、制動(dòng)器、三維結(jié)構(gòu)器件三大類。MEMS傳感器作為MEMS最重要的組成部分，在MEMS技術(shù)中發(fā)展最快，一直被工業(yè)先進(jìn)國(guó)家高度重視。美、日、英、俄等國(guó)將MEMS傳感器技術(shù)作為戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域之一，紛紛編制發(fā)展計(jì)劃并投入巨資進(jìn)行專項(xiàng)研究^[1]。壓力傳感器是影響最深遠(yuǎn)且應(yīng)用最廣泛的MEMS傳感器，可分為壓阻式、電容式與諧振式。

筆者以MEMS壓力傳感器作為真實(shí)情境中的實(shí)驗(yàn)載體，發(fā)掘教學(xué)素材，組織教學(xué)活動(dòng)并以此為契機(jī)引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)發(fā)展。

二、問題緣起：西藏旅行中用手機(jī)記錄數(shù)據(jù)

筆者赴西藏旅行，無意中用手機(jī)自帶的App測(cè)量了旅途中不同處的氣壓、海拔值并截圖保存以待日后研究，當(dāng)時(shí)共記錄了25組數(shù)據(jù)（見表1）。

出于好奇，筆者自問：手機(jī)測(cè)定海拔依據(jù)的是氣壓數(shù)值，還是依據(jù)GPS測(cè)定數(shù)值？通過一些簡(jiǎn)單的事實(shí)，筆者認(rèn)定手機(jī)是通過測(cè)量氣壓來推算海拔的。在測(cè)量住所海拔時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)不同的時(shí)間手機(jī)顯示的海拔值明顯不同（可以從幾十米變到一百多米，而GPS測(cè)高度的誤差約十米）。筆者將手機(jī)裝入有空氣的透明塑料袋中，扎緊袋口，然后擠壓塑料袋，使海拔值快速“改變”。另外，筆者查閱大量資料，發(fā)現(xiàn)手機(jī)通常是用MEMS壓力傳感器間接測(cè)量海拔的。

三、海拔與氣壓的關(guān)系探微

筆者將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到吻合度很高的函數(shù)關(guān)系（如圖1）。

二次項(xiàng)系數(shù)比較小，可以將這個(gè)表達(dá)式粗略看成是線性關(guān)系。一次項(xiàng)的系數(shù)具有獨(dú)特的意義——每升高1米，氣壓下降0.117 6百帕。查閱資料發(fā)現(xiàn)：“大氣壓隨高度而變化，在海拔2 千米以內(nèi)，每升高10米，大氣壓約減小111帕。”二者基本吻合。教師在教授相關(guān)章節(jié)內(nèi)容時(shí)，可組織有條件的學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)（如制作樓層計(jì)）。這對(duì)鞏固物理觀念、激活科學(xué)思維、促發(fā)科學(xué)探究以及培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度均有著積極作用。

擬合公式是根據(jù)有限的測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的，很難準(zhǔn)確反映手機(jī)內(nèi)置的氣壓海拔轉(zhuǎn)換關(guān)系。在學(xué)生進(jìn)入高中階段后，教師可以引導(dǎo)他們從理論上進(jìn)行更精細(xì)的建模分析，進(jìn)而在教師協(xié)助下導(dǎo)出公式。

由圖2可知，當(dāng)海拔較低，手機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和等溫壓強(qiáng)公式吻合得較好，當(dāng)海拔超過2 000米，二者則漸行漸遠(yuǎn)。

教師可以引導(dǎo)學(xué)生用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)上面的算法進(jìn)行修正。筆者采用的是對(duì)流層中溫度海拔關(guān)系，即海拔每升高100米，溫度下降0.65攝氏度，記為=△/△=0.006 5 ℃/m。

如圖3所示，在大氣中取一個(gè)上下表面水平的圓柱狀空氣薄片作為分析對(duì)象：上下表面積記為，薄片厚度記為d，下表面所受壓強(qiáng)記為，上表面所受壓強(qiáng)記為+d，空氣密度記為，空氣摩爾質(zhì)量記為，為這個(gè)氣體微元的物質(zhì)的量。在穩(wěn)定的大氣中，這個(gè)薄片處于受力平衡狀態(tài)，根據(jù)三力平衡規(guī)律，有如下關(guān)系成立：

再將大氣看成理想氣體，根據(jù)理想氣體方程，對(duì)氣體微元有如下公式

將考慮過溫度補(bǔ)償?shù)暮０巍獨(dú)鈮汗剑?0）與手機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行作圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果吻合得很好（如圖4）。這正是筆者手機(jī)中壓力傳感器測(cè)海拔的換算原理。

上述理論推導(dǎo)緣于生活中的疑惑——手機(jī)內(nèi)置MEMS壓力傳感器是如何測(cè)海拔的？筆者結(jié)合中學(xué)物理課本中受力平衡知識(shí)、溫度隨海拔的線性關(guān)系、高中物理課本中理想氣體狀態(tài)方程以及微積分方法初步進(jìn)行物理建模推演，最后“解密”手機(jī)中MEMS壓力傳感器測(cè)量海拔的原理。從生活現(xiàn)象到物理知識(shí)理論，筆者通過MEMS壓力傳感器這一技術(shù)的應(yīng)用巧妙地將相關(guān)知識(shí)串聯(lián)起來，這對(duì)突破教材局限、啟發(fā)學(xué)生思考甚至激發(fā)創(chuàng)意火花起到催化作用。

當(dāng)然，如果止步于此，尚不能充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。接下來，筆者將指導(dǎo)學(xué)生利用氣壓與高度的簡(jiǎn)化關(guān)系制作簡(jiǎn)易樓層計(jì)，希望借此培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，同時(shí)將高中物理中的理想氣體模型引入其中實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用。

四、利用氣壓與高度的關(guān)系設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易樓層計(jì)

筆者指導(dǎo)學(xué)生用一只礦泉水瓶、一根吸管和標(biāo)有刻度的硬紙板做一個(gè)樓層計(jì)（如圖5）。首先，在礦泉水瓶側(cè)壁靠近底部處開一個(gè)小孔，將彎頭的吸管插入，用熱熔膠密封好二者接觸處并用膠將吸管豎直固定;然后，向瓶中倒入小半瓶自來水，滴入幾滴黑色墨水后擰緊瓶蓋;最后，在瓶身靠近吸管處豎直固定一個(gè)卡槽，其上裝有一個(gè)緊固螺釘;將事先標(biāo)定刻度的紙板插入卡槽并將所在樓層與此時(shí)管中液面對(duì)齊。此時(shí)，上下樓就可以看到吸管中的液柱隨之升高或降低，并通過觀察液面刻度推知當(dāng)前樓層。注意：實(shí)驗(yàn)開始前要讓此裝置在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中靜置，使得瓶中氣體和環(huán)境溫度足夠接近，另外不要用手碰觸液面以上的瓶身，以免瓶中氣體與手發(fā)生熱交換而引發(fā)溫度變化。由于水的比熱容很大，水溫一時(shí)不會(huì)有明顯變化，對(duì)氣體的溫度影響極其有限。

下面分析基本測(cè)量原理。由于吸管截面積遠(yuǎn)小于礦泉水瓶?jī)?nèi)截面，吸管中液柱的小幅升降對(duì)瓶中液面高度幾無影響。故可以認(rèn)為瓶?jī)?nèi)密封氣體體積不變，另外瓶?jī)?nèi)氣體的溫度也可以看成與環(huán)境溫度一致，且在高度變化不是很大的情況下，環(huán)境溫度可以近似當(dāng)成等溫。根據(jù)玻意耳定律，溫度不變時(shí)，體積不變，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)也可以看成是不變的。

設(shè)某學(xué)生從位置1到位置2，高度變化了△，氣壓變化了△，細(xì)管中液柱高度變化了△。在上述的近似簡(jiǎn)化處理情況下，有下式成立。

在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境（比如在樓梯上做實(shí)驗(yàn)）下，完全可以將氣壓看成是隨高度的升高時(shí)而線性下降的，即

此式可以表征這個(gè)簡(jiǎn)易樓層計(jì)的標(biāo)度原理。

當(dāng)然，上述的樓層計(jì)如果出于教師之手，只能算是“自制教具”，還是在“‘器’上做文章”^[3]。如果出于學(xué)生之手，或是學(xué)生在教師點(diǎn)撥之下自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，則能充分地發(fā)展他們的學(xué)科核心素養(yǎng)。

另外，從這個(gè)樓層計(jì)的結(jié)構(gòu)看，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，進(jìn)而串聯(lián)更多的物理知識(shí)，引發(fā)知識(shí)的聯(lián)動(dòng)和思維的遷移。比如，應(yīng)用伽利略溫度計(jì)、微小形變演示器、連通器、熱輻射熱傳導(dǎo)演示器等。

生活中，教師應(yīng)主動(dòng)引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)注身邊事物，并積極運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)嘗試分析和解釋，甚至對(duì)原事物進(jìn)行創(chuàng)造性的改造，從而創(chuàng)造出有一定社會(huì)價(jià)值的新事物。筆者從手機(jī)的應(yīng)用程序出發(fā)，經(jīng)歷了觀察測(cè)量、猜想假設(shè)、數(shù)據(jù)處理、理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)制作等環(huán)節(jié)，將生活現(xiàn)象、物理規(guī)律、技術(shù)應(yīng)用等有機(jī)地融合到教學(xué)之中，對(duì)如何發(fā)展學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這些素養(yǎng)做了構(gòu)思和實(shí)踐。當(dāng)然，當(dāng)前手機(jī)中MEMS壓力傳感器的普及率還不高，以學(xué)生為主體的利用手機(jī)壓力傳感器開展更多自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的條件還不成熟。隨著技術(shù)進(jìn)步和手機(jī)氣壓傳感器的使用率進(jìn)一步提高，在不久的將來，基于MEMS壓力傳感器的創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)會(huì)越來越多，前景一片光明。

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[3] 湯金波，黃網(wǎng)官.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是未來物理教學(xué)的最優(yōu)途徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018（6）：3-6.

（作者詹善生系安徽省池州一中教師;湯金波系江蘇省南京師大附中樹人學(xué)校特級(jí)教師）