基于核心素養理念設計教學過程
——以“傳感器及其工作原理”為例

丁 紅 周新雅

(江西師范大學,江西 南昌 330022)

“核心素養”是學生在接受相應學段的教育過程中,逐步形成的適應個人終身發展的必備品格,也是隨著社會發展需要的關鍵能力,還是關于學生知識、技能、情感、態度與價值觀等多方面要求的結合體,[1]包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任4個要素．[2]“核心素養”的目標是針對每個學生的終身,而不僅僅是一節課,或一學年,或學校階段,然而學校教育無疑起著舉足輕重的作用．千里之行,始于足下,要實現這個“核心素養”目標,就要設計好每一節課,每一個教學環節,甚至每一句話中的每一個詞．

教學設計是教學理論與教學實踐的橋梁,是教學理論轉化為教學實踐的關鍵環節．如何避免教學設計徒有其形,卻無其實呢?知己知彼,百戰百勝．三維目標是“核心素養”的具體化,分析教材與分析學情能夠幫助教師明白本節課的教學目標,避免三維目標虛化,明確教學重點與難點,從而思考采用什么樣的教法與學法,突出重點,突破難點．什么樣的教學流程能夠循循善誘,由淺入深的引導學生．因此,藉以“傳感器及其工作原理”設計詮釋如下．

1 教材分析

“傳感器及其工作原理”位于人教版高中物理選修3-2第6章第1節,本節課介紹什么是傳感器,以及一些制造傳感器所使用的常見敏感元件,例如光敏電阻、熱敏電阻及金屬熱電阻等．幫助學生對傳感器的知識有一個初步的了解.本節內容是應用型課,將理論知識應用于實踐．可以讓學生體會物理知識給生活帶來的巨大作用,進而從思想上啟發學生,從能力上培養學生．同時為傳感器的應用和利用傳感器制作簡單的自控裝置作鋪墊．

2 學情分析

從心理特點、知識儲備與認知困難方面分析．

(1) 心理特點:本節內容面對的是高中二年級學生,思維活躍、喜歡觀察和思考,具有強烈的探究世界的動機．尤其在海量習題的練習中,充滿新奇的物理實驗、大型教具的應用型課仿佛沙漠里的綠洲,讓學生興奮不已．

(2) 知識儲備:正所謂每一個今天的學習,都是明天的知識基礎．學生在初中階段與選修3-1中已經學習電、磁方面的知識,知道金屬電阻大小隨溫度升高而增大的特性,以及在前期學習中掌握了一些實驗設計思路與方法．

(3) 認知困難:學生雖然掌握了一些與傳感器相關的知識,以及使用過一些含有傳感器的電器,但對傳感器的了解仍然較少,并且最怕深奧的理論．所以,教學時應避免深奧的理論,多舉些例子并且多做實驗,盡可能讓學生參與其中,讓學生感受傳感器的巨大作用,消除傳感器的神秘感．

3 教學目標

基于教材分析,學情分析,并結合課程標準,設定如下三維目標．[3]

(1) 知識與技能目標:了解什么是傳感器,知道非電學量轉換成電學量的技術意義;通過實驗,知道常見傳感器的類型及工作原理;初步探究利用和設計簡單的傳感器．

(2) 過程與方法目標:通過對實驗的觀察、思考和探究,讓學生了解傳感器、熟悉傳感器工作原理;讓學生自己設計簡單的傳感器,經歷科學探究過程,學習科學研究方法,培養學生的實踐能力和創新思維能力．

(3) 情感、態度與價值觀目標:在理解傳感器工作原理的基礎上,通過自己設計簡單的傳感器,體驗科技創新的樂趣,激發學習物理的興趣．

4 教學重點與難點

參考課程標準,結合教材分析與學情分析,本節內容的重點與難點如下．

(1) 重點:通過實驗觀察與分析常見傳感器的特性及工作原理,知道非電學量轉換為電學量的技術意義．

(2) 難點:通過實驗探究常見傳感器的敏感元件的工作特性,以及學生自主設計簡單的傳感器．

5 教法與學法

以教材分析與學情分析為依據,三維目標為方向,采用以下教法與學法突出重點、攻克難點．

5.1 教法

啟發式教學法:早在古希臘時蘇格拉底的“產婆術”,以及我國古代教育家孔子主張的“不憤不啟,不悱不發”,都是啟發式教學方法．此法經過兩千年而不衰,其價值不言而喻．啟發式教學法細化又可分為情景啟發,提問啟發,激疑啟發,比喻啟發等等．創設情境,用幾個有趣的傳感器實驗引入課題,引起認知沖突,產生疑問,激發好奇心,抓住學生的眼球．以提問的方式激發學生思考,從實驗現象中歸納,凝練出光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻等的工作原理．將常見傳感器與人類五大感覺器官類比,消除傳感器的神秘感．

實驗演示法:在初中教材中,實驗演示是眾多欄目中的一員,教師通過實驗展示物理現象,學生觀察思考、歸納總結物理規律,例如人教版初中物理教材．由此可見,實驗演示法的價值不可輕視．

探究式教學法:通過提問啟發探究,實施探究,反思探究,在問題解決的探究活動中挖掘物理現象背后隱藏的物理規律,進而發展學生思維,實現物理觀念建構的教學目標．

5.2 學法

觀察分析法:學生觀察實驗現象,獲得感性認識,進而分析實驗現象隱藏的規律,上升至理性認識．

思考討論法:開動腦筋,思考問題,同學之間表達各自看法,在思想的碰撞中得到啟發．

合作交流法:培養學生團結互助,溝通合作與耐心傾聽的精神．

6 教學流程

本節內容設計思想遵循從現象中挖掘規律,由淺層學習上升到深度學習,即不僅獲得知識,還要得到智慧的升華，教學設計思想圖如圖1所示．

圖1 教學設計思想圖

教學流程主要分為4個環節，教學過程流程圖如圖2所示.

圖2 教學過程流程圖

(1) 創設情境、導入新課.

楊振寧曾言:“物理學最重要的部分是與現象有關的,絕大部分物理學是從現象中來的,現象是物理學的根源．”[4]因此,本節課圍繞視覺現象展開,以新奇的物理實驗導入,抓住學生的眼球．

(2) 實驗探究、新課教學.

以實驗現象為基礎,不斷提問啟發學生思考,實驗探究物理規律,建構物理觀念．讓學生領悟物理學具有重要的精神價值,就是對未知世界永無止境的探索．

(3) 學以致用、鞏固提高.

利用本節課所學知識,設計傳感器的應用,培養學生的科學思維．

(4) 作業布置、自我檢測.

調查生活中哪些電器中應用了傳感器,加強課堂與生活的聯系,在領悟科學實質,理解科學、社會、技術與環境之間關系的基礎上形成對技術、科學的正確態度與責任感,即達到科學態度與責任的教學目標．

6.1 創設情境,導入新課

演示實驗1:干簧管控制電路的通斷(圖3).

設問:要將教室的燈泡點亮需要一個什么關鍵步驟?引起學生對開關的關注,接著呈現一個無線燈泡,演示當條形磁鐵靠近時,燈泡發光,磁鐵移走,燈泡熄滅,引起學生認知沖突,激發好奇心．

圖3 干簧管控制電路的通斷

圖4 水杯遇水發光

演示實驗2:倒水變五彩的水杯(圖4).

拿出一個透明水杯,往杯中倒水,杯子立刻發出彩光,給學生視覺的震撼.

6.2 實驗探究,新課教學

(1)打開燈泡,展示燈泡內的電路圖,了解元件“干簧管”的結構(圖5)．

圖5 干簧管結構

圖6 干簧管原理圖

探明原因:如圖6所示，玻璃管內封入兩個軟磁性材料制成的簧片,并裝有高純度的惰性氣體．在尚未操作的情況下,兩簧片并沒有接觸．但是,當磁鐵靠近干簧管時,外加的磁場使兩個簧片端點位置附近產生不同的極性,不同極性的簧片相互吸引,電路導通．所以,干簧管能起到開關的作用．師點撥:這個裝置反過來還可以通過燈泡的發光情況,感知干簧管周圍是否存在著磁場．

(2) 演示干簧管代替開關,控制電路通斷的大型器材,如圖7．

圖7 干簧管代替開關

(3) 新課教學.

① 傳感器定義:能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量,或轉換為電路的通斷．我們把這種元件叫做傳感器．

③ 列出常見傳感器類型并將傳感器的功能與人類5大器官相比擬:

光敏傳感器——視覺;

聲敏傳感器——聽覺;

氣敏傳感器——嗅覺;

化學傳感器——味覺;

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺.

圖8 水杯結構

④ 揭秘.

水杯的底部有一個紐扣電池,還有5個LED燈,當向杯中裝水時,電路就被接通,LED燈發光,如圖8．

⑤ 聯系生活.

請大家相互說說看,你家里,或者在你的生活當中,都使用過,或聽說過什么樣的電器中有傳感器?如圖9．

圖9 傳感器應用

⑥ 光電傳感器.

自制光電傳感器教具,將光敏電阻串聯在電路中,如圖10．

圖10 光敏電阻演示

圖11 光敏光阻

師生總結:光信號轉化為電信號．

介紹光敏電阻,如圖11．并用動畫配合講解光敏電阻工作原理:光敏電阻表面涂有硫化鎘,硫化鎘是一種半導體材料,無光照時,載流子極少,導電性能不好;隨著光照的增強,載流子增多,導電性變好,如圖12．

圖12 光敏電阻工作原理

科學漫步:學生自學半導體的導電機理,知道什么是載流子,如圖13．

圖13 半導體導電

⑦ 金屬熱電阻與熱敏電阻.

給溫控關加熱,蜂鳴器發出報警聲,如圖14．

圖14 溫控關加熱

師生總結:溫度信號轉化為電信號．

引導學生回憶:金屬導體的導電性能與溫度有關嗎?關系如何?

師生總結:用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為金屬熱電阻．如前面已經學過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計．

圖15 電阻溫度特性圖

結合實驗結果與電阻溫度特性圖線(圖15),分析總結熱敏電阻隨溫度的升高,導電性能增強．

合作探究1:比較光敏電阻在不同光照條件下的電阻值不同.

學生兩人一組,用多用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值,實驗分別在室內自然光的照射下和用手掌遮光時進行．

合作探究2:熱敏電阻隨溫度的升高電阻減小.

學生兩人一組,用多用電表的歐姆擋測一只熱敏電阻的阻值．第一次直接測量,第二次用手心捂住熱敏電阻再測量,記錄兩次測得的電阻值．

⑧ 霍爾元件.

圖16 霍爾元件

師講解:霍爾元件是在一個很小的矩形半導體(例如砷化銦)薄片上,制作4個電極E、F、M、N而成,如圖16．

圖17 霍爾元件 工作原理圖

師生共析:一個霍爾元件的厚度d、霍爾系數k為定值,若保持I恒定,則UH的變化就與B成正比．即霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量．因此,我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場中,通過測定霍爾電壓UH的變化得知該磁場磁感應強度的變化．

圖18 電容式位移傳感器

⑨ 電容式位移傳感器.

6.3 學以致用、鞏固提高

設計方案1:音樂盒(設計要求:蓋子打開音樂響起,蓋子合上,音樂停止).

設計方案2:火警報警器(設計要求:溫度過高,發生警報).

學生分組討論:① 需要什么器材?② 提出設計方案;③ 學生分兩組實施組裝;④ 討論并提出改進意見;⑤ 還可以用于生活中的哪些方面?

6.4 布置作業、自我檢測

完成《問題與練習》,調查生活中哪些電器中應用了傳感器,將工作原理寫成文字稿．

7 評價

本節教學過程緊緊圍繞“核心素養”的4個要素,以物理現象引發思考,激發興趣．通過實驗探究層層剝開現象背后隱藏著的規律,建構物理觀念,培養學生對未知世界永無止境的探索精神．引導學生學以致用,自主設計傳感器應用器材,培養學生科學思維．聯系生產、生活應用,從生活走向物理,從物理走向生活,注重科學態度與責任的培養．4個要素囊括不同方面的發展,缺一不可,不可偏廢．“核心素養”針對的是個人終生發展,三維目標是“核心素養”的具體化,要登上山頂,需走穩腳下的每一步伐,明確每堂課的三維目標,設計好每一堂課的教學,堅持不懈,量變累積終可達到質變升華．