S-3PBL科创教育模式下高中物理校本课程实践研究

【摘 要】传感器是现代科学的结晶，在课堂教学中发挥着越来越重要的作用。在数字化环境下，根据新课标中的核心素养要求，与科创教育联系紧密的传感器走进中小学的科学课堂，是大势所趋。本文主要对传感器在高中物理校本课程教学中的具体应用进行探讨，紧密结合课内教学，介绍依据S-3PBL-1科创教育模式来设计并尝试实施的教学实例，并对整个教学研究过程进行总结与反思，提出建议，为进一步深入探讨传感器与中小学科学教学的融合应用提供借鉴。

【关键词】传感器;科创教育;校本选修课程;融合

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）08-013-04

问题的提出

近年来，“数字化实验”等新技术逐渐进入中小学课堂，科创教育作为科学创新教育，也席卷全国[1]。信息技术在物理教学中发挥着越来越重要的作用，可以帮助我们建立物理模型、模拟仿真物理过程，具有强大的计算功能。普适计算与泛在感知已经成为核心素养的必要条件，计算不只是辅助手段，计算教育能够提高学生学科核心素养，促进创新人才培养[2]。

传感器是能够将所感受到的物理量（如力、热、光、电、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。根据科学课程新课标的核心素养要求，传感器作为计算手段之一，仅高中物理新教材中需要传感器辅助采集、整理数据的演示实验就多达12个。但科学教学课时有限，高中作为初中的延续，“双减”政策也影响到了高中课程安排，因此急需基于传感器等课堂教学的生长点来构建校本课程。本文依据北京师范大学项华教授提出的S-3PBL-1科创教育模式，以高中物理校本课程构建为例，探索传感器与中小学科学校本课程的教学融合。

“传感器”校本课程实践案例

1.教学方案

（1） 设计过程

查阅（文献、网络等）传感器的种类、功能及其应用。传感器在探究课中的作用：通过设计并实施具体案例（研究热敏电阻的阻值随温度的变化关系）探讨传感器如何在系列科创校本课程中发挥作用。

课程方案设计流程如图1所示。

（2）课程目标与进度安排

课程目标：综合物理、数学、信息科技等学科进行跨学科教学，在教学过程中设计多种学习活动，让学生利用信息技术来设计方案，利用传感器采集和处理数据等，鼓励学生将信息技术运用到物理学习中，提升学生解决问题的能力，帮助学生适应数字化时代的学习。

进度安排：约需10课时完成系列校本课程学习。2课时查阅资料，认识传感器的种类和功能，学生根据自愿原则，2人一组;1课时提出研究内容，确定要研究的传感器的主要敏感元件;2课时做实验准备，包括理论准备和实验器材准备;1课时制定实验方案，充分利用传感器和电脑等信息技术手段，优化实验方案，能够方便、准确采集和处理实验数据;2课时进行实验并处理数据，寻找规律;1课时对实验进行评估，查阅资料，确定实验结果与理论是否相符;1课时汇报成果，形成一份完整的实验报告。

2.教学实施环节

“传感器”系列校本课程的教学过程主要依据S-3PBL-1科创教育模式[2]设计，主要采用基于问题的非线性“抛锚式”教学结构，具体课程教学模式如图2所示。系列校本课程主要用到的信息技术设备有电脑和传感器。教师要做到有效使用信息技术丰富教学途径与形式，充分发挥信息技术的优势即创新教学方式，提升教学的效果和效率。

（1）提出研究主题：传感器

现在生产、生活等离不开传感器，借助问题驱动教学：传感器是什么？其工作原理是什么？有哪些种类？我们能识别和使用简单的传感器吗？能否利用传感器进行实验研究？

（2）形成小团队

学生两人一组，根据高中教材中“传感器”章节的学习，交流对传感器的原理及应用的理解。共同查阅资料，研究传感器的种类、功能及其应用，在1节课内交流，具体方式不限，如图书馆资料、高中物理课本，也可以上网查找或请教专家。

在中学物理教学中用到的传感器种类很多，可以分为力电、热电、声电、磁电、光电等传感器。在力学部分有位移、加速度、力、光电门、声音等传感器，热学部分有温度、压强等传感器，电磁学部分有电荷、电流、电压、磁场、电场等传感器，在光学、原子物理等部分也有一些传感器。由于不同种类的传感器中的主要部件不尽相同，所以采用的原理也各不一样。将学生分组，分别查阅资料，了解各种传感器的工作原理及其简单应用。

例如，光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管;热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成。电容传感器的工作原理是：电容C跟介电常数成正比，跟正对面积S成正比，跟极板间的距离d成反比。分别改变S、d，可制成测高度的电容传感器、测角度的电容传感器、测压力的电容传感器、测位移的电容传感器等。

大多数家用电器都用到了传感器，组织学生查阅有关材料，了解传感器的应用。将学生分成几组，分别负责查阅：电冰箱中的冷藏室传感器和冰冻室传感器（电子温控设备），空调器中的传感器（温度传感器），全自动洗衣机中的传感器（负荷传感器、水位传感器、光电传感器和压力传感器）。

（3）提出问题

本环节要求学生针对某一传感器提出要研究的课题，进一步研究并利用传感器完成探究实验。学生提出的问题是多样的，以其中一个课题为例：热敏电阻的阻值怎样随温度的变化而变化。

恒温箱的原理简图如图3所示，箱内有三个定值电阻R1、R2、R3。Rt为热敏电阻，它的阻值随温度的变化而变化，由于热敏电阻Rt的阻值变化可以引起a，b两端电压的变化，当a，b两端电压Uab<0时，传感器会令开关K接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高;当电压Uab>0时，传感器会令开关K断开，恒温箱内的电热丝停止加热，使箱内温度降低。这样恒温箱的温度能控制在某个值。

学生了解恒温箱的工作原理后，提出问题：热敏电阻与温度的定量关系是什么？

鼓励学生小组讨论，大胆提出假设。学生可能会提出很多的假设，最常见的三种假设为：R与T成反比，R与T2成反比，R与T成正比例函数，但斜率为负值等。

（4）微探究1

组内讨论，明确任务。根据问题，选择设计实验验证、理论论证（包括搜集材料），或同时采用理论论证和实验论证的计划。组织部分学生进一步查找并交流热敏电阻的相关资料，包括如何制造热敏电阻、热敏电阻的特性、热敏电阻的应用。培训指导学生熟练使用计算机，会处理数据，比如数据拟合功能，以便学生快速找到数据的定量关系。购买学生分组实验所需的热敏电阻（每组一个）。准备实验器材，包括传感器（温度传感器、电流/电压传感器）、各种接口（如USB、PowerLink等）及其说明书，软件已装在电脑中。

（5）微设计

选择合适器材，充分利用传感器和计算机等信息技术工具，通过“头脑风暴”优化实验方案，方便、准确地采集和处理实验数据，课后提交方案。

利用温度传感器测量热敏电阻温度：将热敏电阻贴在温度传感器旁，一起放入冷水中，稳定后即可测出热敏电阻的温度t。分多次向盛有凉水的烧杯中倒入热水，以逐步改变热敏电阻的温度。

使用电压传感器和电流传感器测热敏电阻阻值（几十至几百欧姆）：电压传感器的阻值较大，一般在1MΩ左右，电流传感器内阻不超过10Ω，因此采用电流传感器外接法，如图4所示。

实验方案不唯一，具有合理性即可，如测得电流、电压的最大值是否超过电流、电压传感器的量程;这三个传感器的分辨率是否符合要求;实验操作过程设计是否合理;实验原理是否完善、如何改进等。

（6）微探究2

进行分组实验，组装实验仪器，采集不少于7组的数据;处理数据寻找规律;评估实验：查阅资料，验证结果与理论是否相符。根据datastudio数据表（或Excel、MATLAB中），求出各温度下的电阻;寻找R-t的关系：画出电阻-温度曲线，选择均方误差最小的拟合方式，使曲线最平滑，验证假设是否正确。如图5，热敏电阻的阻值随温度的升高而变小，但无法拟合出简单的函数关系。

由于计算机能自动识别电压、电流、温度传感器的数据并记录，不存在读数误差，所以给实验带来很大方便。

可引导学有余力的学生画出R-1/T、lnR-1000/T等曲线（其中T是热力学温度），并拟合得到函数式，找出R与t间的定量函数关系。

（7）微展示

小组合作完成研究报告：课题研究过程，总结经验教训;获得的知识，能力的提高;任务安排的合理性;继续研究的相关课题。

汇报课题研究情况，如收集到的重要信息，取得成果的经验或失败的教训。集思广益、取长补短。

（8）综合评价

课程鼓励学生开动脑筋，既发挥其独立性，又培养小组合作精神。考虑探究的主要过程，根据学生自评、学生间的互评、教师评价、平时表现，对学生进行本系列校本课程的综合学业评价，如表1所示。

3.教学总结

在内容选取上，使用传感器，实验读数结果准确，重复性好;传感器即插即用，实验设计简单，但需选用三个传感器同时显示并记录数据，需要至少两台电脑，有些学校条件不足。如图6，和传统实验方法相比，使用美国Pasport实验系统的传感器能大大降低实验时间，学生有更多时间探索和创新。但学生需学会使用配套软件，独立探究的难度大，教师引导偏多。

学生普遍反映，在系列课程中均使用传感器读数，实验结果更准确，重复性好;传感器即插即用，实验设计简单。如使用美国Pasport实验系统和传统实验方法相比有很多优点。传感器基本接近理想器材，容易设计实验方案，不需考虑一些实验误差，传感器和计算机在帮助采集大量实验数据的同时，立即处理实验数据，并根据需要统计得出规律，大大减少了实验时间，学生有更多的时间探索和创新。

在教学环节上，依据S-3PBL-1科创教育模式，让学生小组合作，自主选题并参与科学探究，进行交流展示与综合评价，能够激发学生参与课堂的积极性，探究问题的主动性，帮助学生领略科学研究方法，发展探究能力，增强创造性思维和能力，培养探究未知世界的积极态度。

结束语

传感器一般有配套软件，可自动识别传感，适时采集数据，自动绘图，有函数拟合等强大功能，给教学带来了很大便利。在“传感器”系列校本课程实践过程中，学生普遍反映，由于传感器即插即用，不用人工读数，实验结果更准确，实验设计简单，有很多时间去探索和创新。由学生提出要研究的课题，能够有效激励其进行科学探究、交流展示。

探究学习、练习使用传感器是未来人才的需求，传感器与中小学科学教学的融合将进一步加深。课程建设是学校教育工作的核心内容，即使不把传感器作为课程构建的主题，根据国家学科课程中的生长点构建科学校本课程时，依据S-3PBL科创教育模式把传感器作为重要的实验器材，也可减少实验设置和准备时间、读数和处理数据的时间，有助于创新人才培养，把更多时间留给学生在科学探究中寻找规律、解决问题，进行更充分的交流与合作。

参考文献

罗世洪. 科创教育促进学生物理核心素养发展的策略[J]. 物理教学探讨，2019，37（2）：68-70.

项华，曾子珉，刘靖怡. 计算物理教育的逻辑起点、途径及未来图景[J]. 中小学信息技术教育，2022（Z1）： 102-106.

作者单位：北京景山学校