融入“学习即研究”观念的核心素养培养教学实践

【摘要】本文以“常见传感器的工作原理及应用”教学为例，探讨了用研究的观点构建课堂，培养学生课题研究的能力，在发展学生推理论证、质疑创新等科学思维与科学探究能力，养成良好的科学态度等方面的价值，从而为发展学生核心素养提供了一种新的思路．

【关键词】学习即研究；核心素养；科学思维

1 问题的提出

物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生通过物理学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.作为学生科学素养的关键成分，物理学科核心素养的贯彻和落实是物理教育工作者面临的重要课题.

2 “学习即研究”观点

科学学习的本质是研究，学习者就是研究者，学习过程就是研究过程［1］．“学习即研究”是回归学习本质，用科学研究的方法引导学习［2］.依据课题研究的过程来组织学习，学习过程则需要经历课题研究的必要性分析、可行性论证、实践性体验、创新性探索等研究的一般过程，这为优化核心素养导向课堂教学提供了一条新的思路.

3 融入“学习即研究”观念的教学实践

本文以人教版高中物理选择性必修2“常见传感器的工作原理及应用”一节的教学为例，从认识传感器、探究传感器、感悟传感器、赏析传感器四个方面，探讨如何在融入“学习即研究”观念的物理课堂教学中形成物理观念，开展科学探究，培养科学思维和科学态度，把物理核心素养的理念和要求落实到实际教学中去.

3.1 认识传感器的概念：在研究的必要性分析中引入物理观念

魔术：“魔术手”操控改装的玩具小汽车（“干簧管”与小汽车开关并联）.

教师

玩具小汽车电源已经被关闭，老师没有接触开关为啥能让它启动起来呢？请一位同学上台尝试.

学生

上台尝试（失败），并表示不解（产生疑问）.

学生

老师手上有遥控.

教师

被你猜对了（展示手中的“小磁铁”）.小磁铁为什么能让玩具汽车启动呢？

学生

电磁感应.

教师

是吗？（演示：让小磁铁与玩具汽车的相对位置保持不变）

学生

不是（进一步产生疑问）.

教师

其实，玩具汽车被老师加装了一个叫“干簧管”的元件.它的结构非常简单，只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片.当磁体靠近“干簧管”时，两个簧片被磁化而接通，起到了开关的作用（展示玩具小汽车改装的示意电路图）.

（学生分组观察“干簧管”的结构，并通过看、听体验“干簧管”的工作过程）

教师

“干簧管”是一种能够感知磁场的敏感元件.（展示）下列生活中的物品中装有感知什么的敏感元件呢？（如图1所示）

学生

温度、压力、声音.

教师

我们把这类元件称为传感器.传感器是指这样一类信息采集元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断.

教师

感知（感觉、知觉）、转化（反应），这类似于什么？

学生

类似于人体器官能够感知听到、看到、触到……等信息并将其转化为刺激信号传输给神经中枢处理.

教师

请举例说明生活中所见到的传感器.

学生

感应自动门、楼道感应灯、键盘、手机…….

教师

（继续举例：酒精检测、雷达测速、感应水龙头）学习就是一种研究，研究首先需要考虑课题研究的必要性.请讨论：为什么要通过传感器将非电学量转化为电学量？

（学生分组讨论）

学生

如果把非电学量转为电学量，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制.

教师

非常好.这就是传感器的技术意义，传感器既是实现生产、生活自动化和智能化的必备元件，也是人类拓展感官的重要元件.

设计意图

利用“干簧管能感知磁场”的特性，演示“魔术手启动汽车”实验.利用现象冲突，不仅激发学生的学习兴趣，还激发了学生的求知欲.再结合认知原理、操作体验的设计符合从情境到问题、从现象到解释、从体验到认知的一般学习过程.具有代表性的传感器的图片展示，让学生快速、清晰地形成物理概念，并实现感性的认识.

3.2 探究传感器的原理：在研究的可行性论证中渗入科学思维

非电学量转化为电学量传感器在生活中是很有必要的，自然对转化原理的科学分析、可行性论证是学习与研究的重要步骤.实验演示楼道声光控灯的工作过程，让学生观察灯座并找出其中的敏感元件.学生提出光敏电阻的阻值随光照变化的猜想，实验探究光敏电阻在不同光照条件下的阻值，得出随着光照增强光敏电阻的阻值变小的结论.教师接下来进行教学引导：

教师

金属能够导电是因为金属中有很多可以自由移动的电子.那半导体为什么能够导电呢？

学生

疑惑.

教师

下面以半导体单晶硅为例，做些浅显的解释.如图2所示，硅原子的最外层电子，由于热运动或其他原因，其中有极少数自由电子.这样原来地方就留下了一个空位，称为“空穴”，空穴相当于一个正电荷.当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，相当于空穴在移动.自由电子和空穴都叫做载流子.

在建立半导体导电机理的微观模型之后，教师设问：

教师

请解释光照增强时光敏电阻的阻值如何变化？

学生

当光敏电阻受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成了更多的空穴，于是导电能力明显增强.

除了对光敏感的元件外，还有对温度敏感的元件——热敏电阻.通过教师引导，让学生了解热敏电阻的工作原理分析论证过程.

教师

热敏电阻也是由半导体材料制成，由此你们能得到什么猜想？

学生

随着温度的升高，热敏电阻的阻值变小.（学生分组实验验证猜想.）

教师

如何解释呢？

学生

热敏电阻温度升高时会有更多的自由电子和空穴导电，载流子增多，导电能力增强.

评价学生的科学推理准确和学以致用后，再引发学生思考：

教师

随着温度的升高，金属导体的电阻会如何变化？有什么依据？

学生

增大，小灯泡的伏安特性曲线可以说明这一点.

教师

这是由实验间接得到的结论.能否直接直观地得到这个结论呢？

学生

（讨论）小灯泡加热，测量其电阻.

设计意图

让学生通过实验形成对光敏电阻特性的感性认识，激发“为什么阻值会随光照增强而减小”的认知疑惑.道而弗牵，学生构建半导体导电机理微观模型后，迅速成了问题解决主体，自主进行科学推理，论证了光敏电阻的工作原理的可行性.了解了热敏电阻的工作原理，激活学生科学推理的意识，塑造学生科学探究的习惯，培养学生迁移创新的能力.

3.3 感悟传感器的启迪：在研究的实践性体验中深入科学探究

（1）理性分析，提出问题

科学研究的过程离不开理性的阶段分析停顿，它往往能帮助我们厘清研究的思路，实现研究的目标.学习过程也是不断反思总结与在学习提升的过程.

教师

探究了光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻的工作原理.我们不妨稍作停顿来理清一下思路.光敏电阻、热敏电阻为什么能将非电学量转化为电学量？

学生

因为光敏电阻、热敏电阻的电阻阻值会随光照、温度发生变化.

教师

换句话说，如果这些元件的电学量——电阻，没有对光照、温度敏感的特性，它们将不能设计成相应的传感器.电学量除了电阻还有……

学生

电流I、电压U、电容C

教师

电容C与哪个元件有关？

学生

电容器.

教师

哪些非电学量会影响平行板电容器电容呢？电容器可以设计为传感器吗？

学生

两极板的间距、正对面积、极板间的电解质，可以设计为传感器.

教师

哪些元件影响到电学量电压U呢？不妨回忆磁场中所学到的元件？

学生

霍尔元件.

教师

请同学们论证霍尔元件、电容器作为传感器工作原理的可行性.

（2）理论推导，形成证据

教师给出霍尔元件的工作过程的示意图，学生自主分析：霍尔电压产生的微观机理与霍尔电压的推导过程.

（3）实验验证，解释交流

如图3所示为霍尔效应演示仪.教师在介绍工作电路后，操作演示：打开电源，电压表有示数为负值（根据需要先调试好）.

教师

为什么是负值？需要怎么调整？

学生

电流方向确定，电压表接线正确，施加的磁场方向反了.

教师

试一下（改变磁场方向），非常好（电压示数为正）.增大电阻，电压示数为啥变小？

学生

前面理论推导，霍尔电压与通过元件的电流成正比.增大电路中电阻，通过霍尔元件的电流减小，所以霍尔电压减小.

教师

（指着磁铁位置）可以怎么改变磁场呢？

学生

拿掉一块磁铁.

教师

（拿掉一块）霍尔电压变小.还可以减小吗？

学生

将刚才的磁铁反向，同名磁极正对，这样磁场更弱.

实验演示，霍尔电压进一步减小.

教师

因此霍尔元件可以将实现哪个非电学量转化为电学量.

学生

磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量.

教师进一步引导，对如图4所示电容式传感器的工作原理的分析，体会理论探究的成功.

设计意图

通过对传感器工作原理的可行性论证并进行不完全归纳的过程，引发学生思维的拓展，引导学生提出转化为不同电学量的科学问题.探寻不同传感器原理可行的过程，是通过构造性的尝试去摸索、挖掘电学特征的过程，让学生从中体验探究的创造性.在此过程中既能培养学生分析归纳和发现问题的能力，还能培养学生的创造力.理论推导和实验验证是科学规律、原理确认过程中相互依存、缺一不可的两个方面.

4 教学体会与反思

实践表明，基于“学习即研究”观点的学生核心素养培养物理课堂教学，要对学习问题从研究的视角进行详细剖析，引导学生去探究问题，要让学生在学习的过程中将科学研究的环节、方法、态度等元素建成一个整体性的物理学习系统.一方面，要构建真实的学习情境，激发主体的积极思维，秉持科学的研究路径，采用逻辑的问题引导，引发质疑的研究评价，促进科学研究素养的发展；另一方面，要以知识为基础，以能力为核心，以应用为导向，重视学生在真实情境中对知识的学习与应用，以学习、思维与创新等核心素养的培养为突破口，实现学生各种核心素养的形成和发展.基于“学习即研究”观点的学生核心素养培养的课堂教学能为同行提供一种思路，我们也将为此不断努力.

【基金项目：本文系江苏省教育科学“十四五”规划2021年度立项课题“新实验体系下物理课堂开展深度学习的实践研究”（课题编号：C-c/2021/02/158）的阶段性成果】

参考文献：

［1］吴敏，刘霁华．基于“学习即研究”观点的核心素养培养策略［J］．物理教师，2018（11）：19-22.

［2］季正华，刘霁华．回归研究本真 发展核心素养 ［J］．物理教师，2020（8）：35-38.