巧设实验情境 培育核心素养

付丽萍 沈璐

摘 要：以“光电传感器的原理”教学片段为例，巧设实验，创设情境;巧析实验，建立概念;巧设实验，分析论证;巧释实验，拓展迁移.引导学生了解光电传感器的工作原理，在具体的学习活动中，培育学生的物理核心素养.

关键词：实验情境;核心素养;光电传感器

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）15-0025-04

基金项目：2020年度福建省本科高校教育教学改革研究项目“信息化背景下物理教育硕士混合式实验案例资源库开发研究”（项目编号：FBJG20200074）.

作者简介：付丽萍（1962-），女，河南鲁山人，本科，教授，研究方向：物理课程与教学论;沈璐（1997-），女，福建漳州人，硕士，研究方向：中学物理教学.

《普通高中物理课程标准（2017版）》（以下简称“新课标”）提出物理学科核心素养，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面凝炼了物理学科的育人价值.实验是物理学习的重要环节，是培养学生物理学科核心素养的重要途径和方式[1].传感器是高中物理选择性必修2模块的四个主题内容之一[1]，是学生在学习完力学、电磁学、光学等物理知识后，进一步了解物理学在技术层面的应用.传感器在自动控制和信息处理等技术中发挥着非常重要的作用，传感器主题的教学内容体现了“物理与社会发展”“物理与技术应用”“物理与生活”息息相关的课程理念.新课程标准对本节教学的要求是：通过实验，了解传感器的工作原理.会利用传感器制作简单的自动控制装置.教学实践表明，光电传感器的结构和原理比较复杂，大多数学生并不了解其中蕴含的物理原理.例如，光电传感器中的光敏电阻是典型的光敏元件，有着广泛的应用，而学生对其光敏特性缺少感性认识，对其中的一些典型电子元件（如干簧管、三极管等）比较陌生，存在着认知困难.因此， 用真实的实验创设情境来弥补上述不足显然是个不错的选择.

1 基于核心素养培育的教学设计

基于以上的分析，我们以“光电传感器的原理”教学片段为载体，以培育学生物理学科核心素养为主线，巧设实验情境，引发学生思考，帮助学生理解.教学设计模型如图1所示.

2 基于核心素养培育的教学过程

2.1 巧设实验 导入新课

师：美妙的音乐能使人心旷神怡，今天老师用这把普通的手电筒就能让同学们现场听到悦耳的歌声，大家信不信？

教师活动：展示自制光控音乐演示仪，并用手电筒光照其中的光敏电阻（如图2）.

生（众）：很兴奋，听到了.

师：哪个同学愿意上来体验一下？

生：用手电筒光照光控音乐板，音乐响起.

提出问题：为什么用手电筒的光照就能控制音乐的播放呢？

设计意图 教学中通过自制的实验仪，创设真实有趣的实验情境，激发学生的学习兴趣，引发学生的认知需要，启动学生的思维.光控音乐演示仪材料易取、现象明显，并可以作为教具重复使用，见表1.

2.2 巧析实验 建立概念

教师活动1：引导学生观察手电筒靠近及远离光敏电阻时的实验现象.

学生活动：观察实验现象.

师：请同学们回忆一下传感器的概念.

生：传感器是将非电学量转换成电学量的器件.

教师活动2：PPT展示传感器概念.

提出问题：光电传感器感受什么类型的信号？

生：光信号.

提出问题：什么是光电传感器？

生：光电传感器是能感受光信号，按照一定规律把光信号转换成电信号的器件.

师：光电传感器是如何把光信号转换成电信号的呢？

教师活动：PPT展示分析流程图如图3.

学生活动：交流、思考.

师生分析：传感器一般是由敏感元件、转换元件和转换电路组成.光电传感器利用光敏电阻作为敏感元件和转换元件，将接收到的光信号转换成电阻变化这一电信号，再通过转换电路控制音乐播放.

设计意图 从现象入手分析实验现象，通过问题驱动明确非电学量转化成电学量的技术意义.利用流程图引导分析，让学生在头脑中形成“有光然后有电”“光信号转换成电信号”的物理表象，经历“观察—思考—分析”的思维活动，使学生的思维经历由具体到抽象的转化[2].建立光电传感器的概念，初步形成与传感器相关的运动与相互作用观念.

2.3 巧用实验 分析论证

任务1：探究光敏电阻的特性.

教师活动：介绍实验器材如图4.

任务驱动：请同学们利用桌面上的实验器材两人一组动手实验（如图4）.

學生活动：选择器材，进行实验探究.

师：在实验过程中发现了什么？

生1：用手电筒光照光敏电阻，电流计指针的偏转格数变多.

生2：用黑布遮住光敏电阻，电流计指针的偏转格数变少.

师：哪位同学能根据实验现象分析一下光敏电阻的特点？

生1：由欧姆定律可以推出，当光照由强变弱时，光敏电阻的阻值由小变大.

生2：入射光强，阻值变小;入射光弱，阻值变大.

师：请同学们用桌上的黑布遮住光敏电阻，再用手电筒光照色环电阻，对比一下.

生（众）：电流计指针没有变化.

师：很好！请同学们思考下，为什么会有这样的现象呢？

生：光敏电阻是用半导体材料制成的，当光照到这些半导体物质上时，它的电阻率减小，阻值也随之减小.

师：光敏电阻一般可以用于光的测量和光的控制.光敏电阻型号很多，像光控音乐板所用的光敏电阻，受光照时阻值约为500Ω，不受光照时，其电阻值是受光照射情况下的100-2000倍.

设计意图 光敏电阻是典型的光敏元件，在光电传感器中应用广泛.现行的教材中一般是直接用欧姆表测量光敏电阻阻值，此方法会因为外部环境光照的变化，导致仪器示数跳动不稳定，学生不易读数.在教学中我们用灵敏电流计替代欧姆表进行创新设计，引导学生根据电路中灵敏电流计指针偏转情况，分析论证得出实验结论，培养学生基于证据解释问题的能力.该实验器材低值易取，电路简单，操作方便并能进行半定量的测量.

任务2：认识干簧管元件.

教师活动：介绍并演示干簧管实验如图5所示.

师：同学们发现了什么？

生（众）：磁铁靠近干簧管，灯泡发光.磁铁离开，灯泡熄灭.

提出问题：磁铁是如何通过干簧管控制灯泡的亮暗呢？

生：磁铁靠近，周围磁场会变强;磁铁离开，周围磁场会变弱.

师：磁铁靠近时，干簧管的簧片就会被磁化吸合;磁铁远离，两簧片就会分开.干簧管是一种开闭受磁场强弱控制的开关，在光控音乐板中，干簧管与音乐播放器串联，干簧管的通断控制音乐播放.

设计意图 传感器的工作离不开其它电子元件.了解常用的电子元件有助于学生学习传感器的工作原理，学会利用传感器制作简单的自动控制装置.利用实验室随手可取的开关、电池盒、小灯座等低值品材料，设计干簧管实验，通过对实验现象的分析论证，加深学生对干簧管的认识.

任务3：了解三极管的工作原理.

提出问题：在实际的控制电路中，光敏电阻阻值很大，通过线圈电流很小，产生的磁场无法使干簧管闭合，如何解决呢？

生：多绕线圈或增大电流.

师：两种方法都可行.自制的光控音乐演示仪采用三极管这一电子元件来放大电流，配合光敏电阻、干簧管完成光控开关的任务.

教师活动：介绍NPN三极管如图6.

引导分析：当基极b、发射极e两端电压小于一定值，集电极c和发射极e之间相当于断路不导通;当基极b、发射极e两端电压达到一定值时，集电极c和发射极e导通，并且集电极的电流会被放大.三极管不仅有放大电流的作用，还能作为开关使用，能使电路接通或断开[3].

设计意图 在光电传感器的控制电路中，由于光敏电阻的阻值很大，需要接入电压很高的电源，否则电路电流很微弱，很难直接驱动装置工作.因此，在实际设备中可以采用放大电路的配置，电路中接入一个NPN型三极管，它能在导通状态下放大通过线圈的电流，此时只需要4节干电池作为电源便能实现.光敏电阻在有光照时，三级管处于导通狀态;无光照时，三极管处于截止状态，能够实现光照自动控制的功能.三极管是生活常用的电子元件，分析三极管的工作原理，了解一些电工技术方面的知识，提高实践应用能力，拓展学生的学习视野.

2.4 巧释实验 拓展迁移

任务1：结合电子元件功能分析电路图，解释光控音乐演示仪的工作原理.

教师活动：展示并介绍电路图如图7，电阻R1和光敏电阻Rg组成串联分压电路，三极管的基极b和发射极e分别与电阻R1两端相连.当光敏电阻阻值发生变化，则会导致电阻R1两端的电压发生变化，进而影响三极管基极和发射极两端的电压，控制三极管的通和断.

提出问题：当用手电筒光照时，电路电流会如何变化呢？

教师活动：展示流程图如图8.

引导分析：有光照时光敏电阻阻值变小，R1的分压就变大.基极和发射极间的电压达到一定程度后，三极管导通，此时，由电源正极经过电阻R3、线圈、三极管集电极和发射极到电源负极的回路被导通，并且线圈中的电流被放大，干簧管接通，实现音乐播放.

提出问题：当手电筒关闭后，电路电流又会如何变化呢？

生：无光照时光敏电阻阻值变大，R1的分压变小，基极和发射极间的电压小于一定值，三极管不导通，由电源正极经过电阻R3、线圈、三极管集电极和发射极到电源负极的回路被断开，通过线圈电流几乎为零，干簧管断开，音乐停止.

设计意图 分析光电传感器工作原理是教学的重难点，利用流程图，引导学生将实验中的复杂物理现象转化成简单物理问题，对控制电路进行分析推理，培养学生的科学态度.

任务2：学以致用.

教师活动：演示自制光控灯（如图9）.

布置任务：请同学们参考光控灯的电路图，课下利用电源、开关、光敏电阻、三极管、水泥电阻、可调电阻、面包板、LED灯珠等电器元件以小组为单位制作一个简单的光控灯，控制灯可以在天亮时自动关闭，而在天暗时自动开启.

设计意图 展示自制简易光控灯，便于学生选择合适的电子元器件，设计简单的电子电路，解决实际问题.使学生体会到光电传感器为生活带来的便利，引导学生关注物理在生产生活中的实际应用，增强科学态度与社会责任感.

3 结束语

2017年版新课标在地方和学校实施本课程的建议中明确指出，要利用日常用品改进实验或开发新实验”[1].在教学中利用低值品自制实验，取材方便、现象直观，能有效帮助学生克服认知障碍突破教学难点，充分发挥物理实验对于培育学生物理核心素养的独特作用.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]郑志湖.构建学为中心的物理课堂 培育学生核心素养[J].物理教学，2018，40（03）：11-14.

[3]彭前程，黄恕伯.普通高中教科书物理（选择性必修第二册）[M].北京：人民教育出版社，2019.

（收稿日期：2021-05-31）