物理教学中如何渗透“STS”教育——以“传感器及其工作原理”教学设计为例

张素华

（江苏省射阳县第二中学，江苏 射阳 224300）

“STS”教育宗旨是培养具有科学素养的公民，强调科学、技术、社会的相互作用，重视科学技术在社会生产、人民生活水平提高中所起的作用，把当今时代与科技相关的重大社会问题纳入教育之中，包括科技的应用问题、科技发展动向问题等.

如何在物理教学中渗透“STS”教育，笔者在教学实践中做了一些尝试，下面以“传感器及其工作原理”为例来加以说明.

1 对教材和学生的分析

“传感器”这一章讲述传感器的相关知识.随着科学技术的发展，传感器的应用已经越来越普及，我们的身边已经大量使用着各种各样的传感器.例如电视机遥控器中使用着光学传感器；电饭锅、电冰箱中使用着温度传感器等等.

“传感器及其工作原理”这一节是定性研究一些原理性基础知识，不要求做定量计算.做好本节教学的关键是多举实例和多做实验，很多初看起来不容易的原理，动手一做就明白了.学生以前学习物理更多侧重概念、规律、解题，刚接触这一节内容会有畏难情绪，教师要做好引导工作.

教好这1节的内容，能提高学生实验操作、自主学习、合作探究等方面的能力；能培养学生学习物理的兴趣、培养学生热爱科学的情感；也能很好地体现新课改的理念、渗透“STS”教育.

2 教学目标

（1）知识与技能.

知道什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；认识一些制作传感器的元器件并知道它们的性能，知道这些传感器的工作原理.

（2）过程与方法.

通过对实验的观察、思考和探究，让学生初步形成传感器的概念、感受传感技术在信息时代的作用与意义；经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力.

（3）情感、态度与价值观.

体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系；通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神、社会责任感和创新意识.

3 教学重点与难点

重点：理解传感器的工作原理.

难点：设计实验、探究敏感元件的特性.

4 教学过程设计

4.1 创设情境，引入新课

多媒体播放美国“勇气号”火星探测器于北京时间2004年1月4日12时35分成功登陆火星的图片；播放神舟九号和天宫一号成功对接的视频.

设计思路：播放这两个对学生很有震撼力的片段引入新课，能激发学生的学习兴趣，这样联系实际，让学生感受到传感器的巨大作用，也能感受到中国航天事业的迅猛发展和巨大成就，同时也感受到中国和发达国家在航天技术上的差距，增强学生的使命感，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神.

4.2 什么是传感器

演示实验：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭.（请一位学生上台操作）

图1

图2

教师：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？

师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（如图2）、了解元件“干簧管”的结构.

学生解释：当磁体靠近干簧管时，2个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，电路导通，干簧管起到了开关的作用.

教师归纳：“干簧管”是一个能感受磁场的传感器.

演示实验：声光控开关控制楼梯灯的通断（如图3）.

图3

①在普通光的条件下，让一学生对着声控开关喊一声，灯不亮；

② 把光控开关用黑纸包裹，再让学生对着声控开关喊一声，灯亮.

教师归纳：声控开关和光控开关分别是能感受声音和光的传感器.

师生总结：现代技术中，传感器是指这样一类元件，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断.我们把这一类元件叫做传感器.它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了.

教师提问：传感器的基本工作原理是什么？投影展示（如图4）.

图4

设计思路：通过探究、观察一些现象和常见事例，使学生初步形成传感器的概念.演示实验是物理课堂教学中最具特色的学科教学语言的表达形式，教师精心选择、巧妙设计的课堂演示实验，甚至是把生活用品作为实验器材，并让学生一起参与操作、探究、讨论，这样既能活跃课堂气氛，又能激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果.把课本知识和生活实际相联系，这也就是在物理课堂中渗透“STS”教育的体现.

4.3 认识一些制作传感器的元器件

4.3.1 光敏电阻

（1）探究光敏电阻的特性.

①将光敏电阻与多用电表的欧姆挡按图5所示连成电路（将实验器材放在实物展台上，便于所有学生参与读数）.

图5

②将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方，电表置于倍率为100的欧姆挡，观察多用电表的读数.让学生上来，用手电筒、黑纸片使光敏电阻受到的光线出现较亮、稍暗、黑暗3种情况，观察几种情况下光敏电阻的阻值变化，并把相应的阻值填入自己设计的表1中.

表1

③ 在相同条件下，将光敏电阻换成刮去漆层的普通电阻进行对比实验.

学生总结：光敏电阻的导电性能随着光照强度的增加而大大增强.

教师归纳：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.

（2）简单介绍.

光敏电阻在光照射下电阻变化的原因.（和学生一起看书“科学漫步”栏目，学生有所领会即可）

3 小组交流.

列举光敏电阻在现实生活中的应用.楼梯开关、路灯开关、遥控器、火灾报警器等等.

设计思路：让学生以实验操作的方式将光敏电阻与普通电阻进行对比研究，显示光敏电阻对光照的高度敏感性.通过实验让学生自己动手、动脑去发现物理学的某些结论，既可提高学生对物理、对科技的兴趣，又能克服注入式教学方式的枯燥.由学生交流得出光敏电阻在日常生活和现代科技中的广泛应用，更加能激发学生学好物理，回报社会的动力.

4.3.2 金属热电阻和热敏电阻

（1）探究热敏电阻的特性.

提出问题：热敏电阻的导电性能与温度有什么关系呢？

学生设计实验方案：按照图6所示的电路将热敏电阻接入电路，将多用电表选择开关置于欧姆挡，选择适当的倍率，用温度计测量温度，用多用电表测量不同温度下的电阻.

实验步骤：（两位学生上来操作，欧姆表放在实物展台上，所有学生参与读数）

① 按图6电路图连接电路；

② 取半杯热水，将热敏电阻及温度计放入水中；

③ 同时测量并记录水温和电阻值，记入表2；

④ 逐渐倒入少许冷水，改变杯中的水温，再同时测量水温和电阻值，填入表2.

图6

表2

学生得出结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度的变化非常明显.

（2）探究金属热电阻的特性.

提出问题：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？

学生设计实验方案：用类似上面的实验方案操作.（如图7，从旧日光灯管内取来的钨丝，实验现象很不明显，有学生提出用打火机加热，现象明显.）

学生得出结论：温度升高，金属导体的电阻值增大.

教师归纳：金属热电阻和半导体热敏电阻都可以制作温度传感器.它们都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测量范围大，但灵敏度较差.

（3）小组交流.

列举温度传感器在生活中的应用实例.电钣锅、电熨斗、恒温箱、日光灯启动器、火灾报警器等等.

图7

设计思路：让学生自己设计实验，再通过小组合作做实验，自己得出结论，学生们在愉快的气氛中获得了知识，并为自己能发现知识而倍受鼓舞.这样有利于学生创造思维的培养，有利于团队合作精神的培养，也有利于学生身心的健康发展.教学中，有意识介绍同功能的多种传感器，目的是让学生体会解决问题可以有多种途径.在让学生列举传感器的各种应用事例的同时，使学生对于科学与技术的关系有更全面的认识和体会，对于科学技术对社会发展所起到的重要作用有更深刻的认识.

4.3.3 霍尔元件

（1）引导学生一起看书，了解霍尔元件的工作原理.

（3）引导学生推导，教师点评.

（4）介绍实例.

霍尔元件是利用霍尔效应制成的新型磁敏元件，被广泛应用于录、放音机和录、放像机等电路中.

设计思路：学生在《物理》选修3－1的“课题研究”中对霍尔效应略有了解，本节在此基础上介绍霍尔元件.霍尔元件的理论学生觉得有点高深，霍尔元件的应用又似乎离学生的生活有点儿远，但这个环节处理好了则更能激发学生的好奇心和求知欲望.

5 布置作业

（1）如图8所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是

（A）当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压.

（B）当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压.

（C）信号处理系统每获得一次低电压就计数一次.

（D）信号处理系统每获得一次高电压就计数一次.

图8

（2）实验设计：小组合作设计一个火警报警器.可供选择的器材如下：热敏电阻、学生电源、继电器、滑动变阻器、定值电阻、开关、导线.（如有需要可以自行添加所需器材）

6 教学反思

本节课内容技术性较强，与社会生产生活联系又很密切，这正是在课堂上渗透“STS”教育的绝好机会.在课堂上尽可能多地设计演示实验和探究实验，尽可能多地联系社会生活实际，这样既能激发学生的学习兴趣，也有利于培养学生探究能力和观察、分析、解决实际问题的能力.教育学生领会科学、技术、社会发展的关系、培养学生的社会责任感，更是我们物理教师的责任.整个教学过程符合新课程的三维目标，体现新课程的理念，这正是当今素质教育所要求的.