基于核心素养理念设计教学过程——以“传感器及其工作原理”为例

丁 红 周新雅

(江西师范大学,江西 南昌 330022)

“核心素养”是学生在接受相应学段的教育过程中,逐步形成的适应个人终身发展的必备品格,也是随着社会发展需要的关键能力,还是关于学生知识、技能、情感、态度与价值观等多方面要求的结合体,[1]包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任4个要素．[2]“核心素养”的目标是针对每个学生的终身,而不仅仅是一节课,或一学年,或学校阶段,然而学校教育无疑起着举足轻重的作用．千里之行,始于足下,要实现这个“核心素养”目标,就要设计好每一节课,每一个教学环节,甚至每一句话中的每一个词．

教学设计是教学理论与教学实践的桥梁,是教学理论转化为教学实践的关键环节．如何避免教学设计徒有其形,却无其实呢?知己知彼,百战百胜．三维目标是“核心素养”的具体化,分析教材与分析学情能够帮助教师明白本节课的教学目标,避免三维目标虚化,明确教学重点与难点,从而思考采用什么样的教法与学法,突出重点,突破难点．什么样的教学流程能够循循善诱,由浅入深的引导学生．因此,藉以“传感器及其工作原理”设计诠释如下．

1 教材分析

“传感器及其工作原理”位于人教版高中物理选修3-2第6章第1节,本节课介绍什么是传感器,以及一些制造传感器所使用的常见敏感元件,例如光敏电阻、热敏电阻及金属热电阻等．帮助学生对传感器的知识有一个初步的了解.本节内容是应用型课,将理论知识应用于实践．可以让学生体会物理知识给生活带来的巨大作用,进而从思想上启发学生,从能力上培养学生．同时为传感器的应用和利用传感器制作简单的自控装置作铺垫．

2 学情分析

从心理特点、知识储备与认知困难方面分析．

(1) 心理特点:本节内容面对的是高中二年级学生,思维活跃、喜欢观察和思考,具有强烈的探究世界的动机．尤其在海量习题的练习中,充满新奇的物理实验、大型教具的应用型课仿佛沙漠里的绿洲,让学生兴奋不已．

(2) 知识储备:正所谓每一个今天的学习,都是明天的知识基础．学生在初中阶段与选修3-1中已经学习电、磁方面的知识,知道金属电阻大小随温度升高而增大的特性,以及在前期学习中掌握了一些实验设计思路与方法．

(3) 认知困难:学生虽然掌握了一些与传感器相关的知识,以及使用过一些含有传感器的电器,但对传感器的了解仍然较少,并且最怕深奥的理论．所以,教学时应避免深奥的理论,多举些例子并且多做实验,尽可能让学生参与其中,让学生感受传感器的巨大作用,消除传感器的神秘感．

3 教学目标

基于教材分析,学情分析,并结合课程标准,设定如下三维目标．[3]

(1) 知识与技能目标:了解什么是传感器,知道非电学量转换成电学量的技术意义;通过实验,知道常见传感器的类型及工作原理;初步探究利用和设计简单的传感器．

(2) 过程与方法目标:通过对实验的观察、思考和探究,让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理;让学生自己设计简单的传感器,经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养学生的实践能力和创新思维能力．

(3) 情感、态度与价值观目标:在理解传感器工作原理的基础上,通过自己设计简单的传感器,体验科技创新的乐趣,激发学习物理的兴趣．

4 教学重点与难点

参考课程标准,结合教材分析与学情分析,本节内容的重点与难点如下．

(1) 重点:通过实验观察与分析常见传感器的特性及工作原理,知道非电学量转换为电学量的技术意义．

(2) 难点:通过实验探究常见传感器的敏感元件的工作特性,以及学生自主设计简单的传感器．

5 教法与学法

以教材分析与学情分析为依据,三维目标为方向,采用以下教法与学法突出重点、攻克难点．

5.1 教法

启发式教学法:早在古希腊时苏格拉底的“产婆术”,以及我国古代教育家孔子主张的“不愤不启,不悱不发”,都是启发式教学方法．此法经过两千年而不衰,其价值不言而喻．启发式教学法细化又可分为情景启发,提问启发,激疑启发,比喻启发等等．创设情境,用几个有趣的传感器实验引入课题,引起认知冲突,产生疑问,激发好奇心,抓住学生的眼球．以提问的方式激发学生思考,从实验现象中归纳,凝练出光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻等的工作原理．将常见传感器与人类五大感觉器官类比,消除传感器的神秘感．

实验演示法:在初中教材中,实验演示是众多栏目中的一员,教师通过实验展示物理现象,学生观察思考、归纳总结物理规律,例如人教版初中物理教材．由此可见,实验演示法的价值不可轻视．

探究式教学法:通过提问启发探究,实施探究,反思探究,在问题解决的探究活动中挖掘物理现象背后隐藏的物理规律,进而发展学生思维,实现物理观念建构的教学目标．

5.2 学法

观察分析法:学生观察实验现象,获得感性认识,进而分析实验现象隐藏的规律,上升至理性认识．

思考讨论法:开动脑筋,思考问题,同学之间表达各自看法,在思想的碰撞中得到启发．

合作交流法:培养学生团结互助,沟通合作与耐心倾听的精神．

6 教学流程

本节内容设计思想遵循从现象中挖掘规律,由浅层学习上升到深度学习,即不仅获得知识,还要得到智慧的升华，教学设计思想图如图1所示．

图1 教学设计思想图

教学流程主要分为4个环节，教学过程流程图如图2所示.

图2 教学过程流程图

(1) 创设情境、导入新课.

杨振宁曾言:“物理学最重要的部分是与现象有关的,绝大部分物理学是从现象中来的,现象是物理学的根源．”[4]因此,本节课围绕视觉现象展开,以新奇的物理实验导入,抓住学生的眼球．

(2) 实验探究、新课教学.

以实验现象为基础,不断提问启发学生思考,实验探究物理规律,建构物理观念．让学生领悟物理学具有重要的精神价值,就是对未知世界永无止境的探索．

(3) 学以致用、巩固提高.

利用本节课所学知识,设计传感器的应用,培养学生的科学思维．

(4) 作业布置、自我检测.

调查生活中哪些电器中应用了传感器,加强课堂与生活的联系,在领悟科学实质,理解科学、社会、技术与环境之间关系的基础上形成对技术、科学的正确态度与责任感,即达到科学态度与责任的教学目标．

6.1 创设情境,导入新课

演示实验1:干簧管控制电路的通断(图3).

设问:要将教室的灯泡点亮需要一个什么关键步骤?引起学生对开关的关注,接着呈现一个无线灯泡,演示当条形磁铁靠近时,灯泡发光,磁铁移走,灯泡熄灭,引起学生认知冲突,激发好奇心．

图3 干簧管控制电路的通断

图4 水杯遇水发光

演示实验2:倒水变五彩的水杯(图4).

拿出一个透明水杯,往杯中倒水,杯子立刻发出彩光,给学生视觉的震撼.

6.2 实验探究,新课教学

(1)打开灯泡,展示灯泡内的电路图,了解元件“干簧管”的结构(图5)．

图5 干簧管结构

图6 干簧管原理图

探明原因:如图6所示，玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片,并装有高纯度的惰性气体．在尚未操作的情况下,两簧片并没有接触．但是,当磁铁靠近干簧管时,外加的磁场使两个簧片端点位置附近产生不同的极性,不同极性的簧片相互吸引,电路导通．所以,干簧管能起到开关的作用．师点拨:这个装置反过来还可以通过灯泡的发光情况,感知干簧管周围是否存在着磁场．

(2) 演示干簧管代替开关,控制电路通断的大型器材,如图7．

图7 干簧管代替开关

(3) 新课教学.

① 传感器定义: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．我们把这种元件叫做传感器．

③ 列出常见传感器类型并将传感器的功能与人类5大器官相比拟:

光敏传感器——视觉;

声敏传感器——听觉;

气敏传感器——嗅觉;

化学传感器——味觉;

压敏、温敏、流体传感器——触觉.

图8 水杯结构

④ 揭秘.

水杯的底部有一个纽扣电池,还有5个LED灯,当向杯中装水时,电路就被接通,LED灯发光,如图8．

⑤ 联系生活.

请大家相互说说看,你家里,或者在你的生活当中,都使用过,或听说过什么样的电器中有传感器?如图9．

图9 传感器应用

⑥ 光电传感器.

自制光电传感器教具,将光敏电阻串联在电路中,如图10．

图10 光敏电阻演示

图11 光敏光阻

师生总结:光信号转化为电信号．

介绍光敏电阻,如图11．并用动画配合讲解光敏电阻工作原理:光敏电阻表面涂有硫化镉,硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好,如图12．

图12 光敏电阻工作原理

科学漫步:学生自学半导体的导电机理,知道什么是载流子,如图13．

图13 半导体导电

⑦ 金属热电阻与热敏电阻.

给温控关加热,蜂鸣器发出报警声,如图14．

图14 温控关加热

师生总结:温度信号转化为电信号．

引导学生回忆:金属导体的导电性能与温度有关吗?关系如何?

师生总结:用金属丝可以制作温度传感器,称为金属热电阻．如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计．

图15 电阻温度特性图

结合实验结果与电阻温度特性图线(图15),分析总结热敏电阻随温度的升高,导电性能增强．

合作探究1:比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻值不同.

学生两人一组,用多用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值,实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行．

合作探究2:热敏电阻随温度的升高电阻减小.

学生两人一组,用多用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值．第一次直接测量,第二次用手心捂住热敏电阻再测量,记录两次测得的电阻值．

⑧ 霍尔元件.

图16 霍尔元件

师讲解:霍尔元件是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上,制作4个电极E、F、M、N而成,如图16．

图17 霍尔元件 工作原理图

师生共析:一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值,若保持I恒定,则UH的变化就与B成正比．即霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．因此,我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中,通过测定霍尔电压UH的变化得知该磁场磁感应强度的变化．

图18 电容式位移传感器

⑨ 电容式位移传感器.

6.3 学以致用、巩固提高

设计方案1:音乐盒(设计要求:盖子打开音乐响起,盖子合上,音乐停止).

设计方案2:火警报警器(设计要求:温度过高,发生警报).

学生分组讨论:① 需要什么器材?② 提出设计方案;③ 学生分两组实施组装;④ 讨论并提出改进意见;⑤ 还可以用于生活中的哪些方面?

6.4 布置作业、自我检测

完成《问题与练习》,调查生活中哪些电器中应用了传感器,将工作原理写成文字稿．

7 评价

本节教学过程紧紧围绕“核心素养”的4个要素,以物理现象引发思考,激发兴趣．通过实验探究层层剥开现象背后隐藏着的规律,建构物理观念,培养学生对未知世界永无止境的探索精神．引导学生学以致用,自主设计传感器应用器材,培养学生科学思维．联系生产、生活应用,从生活走向物理,从物理走向生活,注重科学态度与责任的培养．4个要素囊括不同方面的发展,缺一不可,不可偏废．“核心素养”针对的是个人终生发展,三维目标是“核心素养”的具体化,要登上山顶,需走稳脚下的每一步伐,明确每堂课的三维目标,设计好每一堂课的教学,坚持不懈,量变累积终可达到质变升华．