基于知识发生过程的高中物理单元闯关教学设计

摘 要：基于知识发生过程的高中物理单元教学，要求教师在单元整体教学指引下揭示知识的本质、顺序与联系。将“力传感器”作为一个教学单元，把力传感器的技术意义、工作原理、实际应用三大模块根据知识发生过程的路径进行整体教学设计，并以闯关模式（感知关、探究关、应用关、反思关）实现学习内容的衔接与递进。

关键词：知识发生过程；高中物理；单元教学；闯关教学；传感器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0093-4

知识发生过程的教学就是教师引导学生揭示知识发生的前提或原因，从知识的起始位置开始感受知识形成的过程，明确知识扩充的经过以及向前拓展的方向，简单地讲，就是再现知识的来龙去脉，揭示知识的本质、顺序与联系［１］。单元教学设计是针对一章或一个专题的内容，将备课的重点从单个知识点的传授转向有意识地引导学生梳理知识之间的关联，感受概念和规律的意义，感知物理思想方法在科学研究过程中的作用，体会物理学的本质［２］。基于知识发生过程的高中物理单元教学要求教师在整体思维指引下，精心设计教学内容，引导学生在重演、再现知识发生过程的活动中内化前人发现知识的方法与能力，从而形成探究新知识、获取新知识、运用新知识的本领，彰显学科育人价值。

《普通高中物理课程标准（２０１７ 年版２０２０年修订）》［３］对“传感器”的内容要求有“１．知道非电学量转换成电学量的技术意义。２．通过实验，了解常见传感器的工作原理。３．列举传感器在生产生活中的应用。建议：调查生产生活中传感器的应用，分析某一种传感器的工作原理。”据此，将“力传感器”作为教学单元，把力传感器的技术意义、工作原理、实际应用三大模块压缩成一课时内容，并根据知识发生过程的路径进行单元整体教学设计，并以闯关模式（感知关、探究关、应用关、反思关）实现学习内容的衔接与递进。

1 设计思路

本课的教学对象是高二年级学生，高二学生虽然已经做了很多关于传感器的题目，但是，未曾深入研究过真实的传感器。对于高二学生而言，传感器是新奇有趣的，但是分析和应用传感器相关知识时却存在一定的困难。以知识发生过程为路径展开的“力传感器”教学将会全面梳理传感器相关知识点，有效整合课程内容，提升教学效率，而闯关模式的加入，更能激发高二学生的学习兴趣，从而达到培养学生高阶思维、提升关键能力的目的。

基于物理学科核心素养，确立教学目标（表１）。根据教学目标，确立本课教学设计的重点是力传感器的工作原理及应用，难点是利用力传感器设计简单的自动控制装置。教学流程如表２所示。

2 实施路径

本课利用闯关模式的感知关、探究关、应用关、反思关实现学习内容的衔接与递进，具体的闯关方式如下：以学习小组为单位，每完成一项闯关任务，即可获得闯关金币一枚。一枚金币可用于“组外求助”，两枚金币可用于“解锁新道具”，三枚金币可获得“通关礼包”。

2.1 感知关：观察使用生活中的力传感器装置，了解传感器的技术意义

活动１ 学生分组观察和使用生活中常见的力传感器装置（图1），知道力传感器是把力这个非电学量转变为电学量的装置，进而了解传感器的定义和将非电学量转换成电学量的技术意义。

闯tEyFhKzdTR1FphLdR5ISjxjXOiMwTGkIXueIe2UIfO4=关设计 在课堂开始时，让学生小组推荐组内一名握力最大的学生，各小组的“大力士”在讲台上应用电子握力器同台比较握力大小，班上握力最大的学生所在的小组获得闯关金币一枚。

2.2 探究关：分析力传感器核心部件的工作架构，了解传感器的工作原理

活动２ “应变式力传感元件”是力传感器的核心部件，学生从敏感元件、转换元件、转换电路三个部分（图2）去分析应变式力传感元件的工作原理架构，进一步理解力传感器将非电学量“力”转变为电学量“电压差值”的工作原理［４］。

闯关设计 在学生学习和理解敏感元件（电阻应变片）和转换元件（由金属梁和应变片组成）的工作原理后，引出转换电路是由四个电阻应变片组成的电桥电路，初始电阻值均为ｘ０。引导学生应用高中物理知识在组内探究分析转换电路的电路结构和工作原理，并在“当弹性梁右端受到外力作用，四个应变片电阻变化量的绝对值均为Δｘ时，求解Ａ、Ｂ两端电压ＵＡＢ的定量表达式”闯关任务中开展小组间的竞赛，顺利完成任务的小组获得闯关金币一枚。

2.3 应用关：利用力传感器来测量物体质量，并设计简单自动控制装置

活动３ 学生设计一个利用应变式力电传感器来测量物体质量的装置。学生在理解应变式力电传感器（输出电压正比于受压面的压力）的原理后，利用组内的实验器材（力电转换器、待测物体、质量为ｍ０的砝码、电压表、滑动变阻器、电池、开关及导线若干）设计电路图和测量公式，测量待测物体（置于力电转换器的受压面上）的质量。

闯关设计 首先，学生在组内通过问题链的方式深入理解应变式力电传感器的工作原理：①应变式力电转换器的输入端、输出端和受压面相对应的物理量是什么？②当力电转换器空载时，输入端通入电流Ｉ后的输出电压为多少？③输入电流Ｉ保持恒定，在力电转换器的受压面上放一质量为ｍ的物体，则输出电压Ｕ０与物体质量ｍ的数学关系式是什么？④若增大输入电流Ｉ，输出电压Ｕ会如何变化？比例系数ｋ也会变化吗？

接着，学生完成应用力传感器测量待测物体质量的电路设计，使放置已知质量砝码时力电转换器的输出电压可调，且调节范围尽可能大。学生完成“画出完整电路图”的闯关任务一，展示小组设计电路图（图3），并在小组间进行讨论和修正。能顺利完成闯关任务一的小组获得闯关金币一枚。

然后，学生根据问题链设计实验方案，完成“定量计算力传感器输出电压正比于受压面压力的比例系数ｋ，并测量待测物体质量ｍ”的闯关任务二：①开始时，将滑动变阻器的滑片置于什么位置？②闭合开关，分别将质量为ｍ０的砝码和待测物体放在受压面上，调节滑动变阻器的滑片，使电压表的指针偏转在合理的区间。接着记下质量为ｍ０的砝码对应的电压表示数Ｕ０，则比例系数ｋ为多少？③为了测出待测物体的质量ｍ，接下来该如何操作？能顺利完成闯关任务二的小组，获得闯关金币一枚。

最后，利用闯关金币解锁新元件——电压在１ Ｖ以上时才会发光的发光二极管。学生开始闯关任务三：在电路的适当位置中连接发光二极管，并在调节电路后，在受压面放上质量为２０ ｇ的物体时，恰能使发光二极管发光。能顺利完成闯关任务三的小组，获得闯关金币一枚。

2.4 反思关：学生自我总结全课内容，反思全课使用到的关键物理知识

活动４ 学生从力传感器的工作原理、实际应用和自动控制装置三大方面来总结全课内容和知识，反思全课使用到的关键物理知识。通过解析生产生活中力传感器的应用（图4），让学生理解传感器的原理、传感器应用给人们带来的便利性以及它的经济效益与社会效益。

闯关设计 学生以小组为单位进行全课内容总结，并利用所学知识解释生产生活中力传感器应用的原理。能较好地完成闯关任务的小组获得闯关金币一枚。最后，统计各个小组的金币数量，颁发通关奖励。

3 总结与反思

以力传感器作为一个教学单元进行教学设计，是重组教材内容的创新性尝试。本课例经过多次教学实践和探讨后，有以下的教学总结和反思。

3.1 传感器作为新高考新教材的重要内容，在平时教学中易被忽视

《普通高中物理课程标准（２０１７ 年版２０２０年修订）》提到，“要重视数字实验，创新实验方式。数字实验室系统是利用传感器、数据采集器等收集实验数据，用计算机软件分析实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。数字实验是教育信息化发展的需要，更是学生创新能力培养的重要方式和手段”。可见，传感器是新高考新教材的重要内容。但经调查访谈发现，传感器的相关知识在以往的教学中常常被一笔带过，学生对这一块内容没有引起足够的重视，也对教材上关于传感器的内容掌握不深。同时，越来越多的高考题都涉及到传感器的相关知识。因此，教师对传感器进行深入研究是非常有必要的。

3.2 基于知识发生过程的高中物理单元教学能有效建构知识内容体系

以力传感器作为一个教学单元，并按照知识发生过程的顺序进行教学设计，再现力传感器工作原理及应用的来龙去脉，揭示生产生活中力传感器装置工作原理的本质、顺序与联系，有效建构学生的力传感器知识内容体系，能让学生从知识的本质和源头出发，不断扩充力传感器的知识内容，进一步完善学生的物理知识体系和解决问题的方法体系。

3.3 课堂教学的闯关环节能有效提升物理课堂的趣味

闯关教学模式指向未来，体现“做中学、玩中学”思想，融合了大概念、主题式、情境式、问题式、探究式、体验式等多种教学方法，是一种基于诊断和融合的教学模式，能有效提升物理课堂的趣味。学生经历感知关、探究关、应用关、反思关的学习过程也是人类认识事物不断进阶的一般过程，一节课的闯关终点又是后续学习的起点。闯关教学模式是一种螺旋式上升的进阶教学，既指外显的知识教学的螺旋式上升，也包含内隐的核心素养的螺旋式上升［５］。

参考文献：

［１］熊志权，卞红，黄海宁．创新物理教研模式，高质量实施普通高中新课程新教材——以广东省基础教育高中物理教研基地项目（珠海）为例［Ｊ］．广东教育（综合版），２０２３（７）：４１－４３．

［２］刘娜，崔琰，李春密．指向深度学习的高中物理单元教学设计——以“万有引力定律”为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２２，４０（９）：３０－３３．

［３］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０.

［４］王从戎，马明娟，陈婷，等．传感器技术在物理实验中的应用［Ｊ］．池州学院学报，２０１８，３２（６）：４２－４４．

［５］余耿华，谢桂英，许桂清，等．指向科学思维提升的中学物理闯关教学模式构建与实施［Ｊ］．中学物理，２０２３，４１（３）：３３－３８．

（栏目编辑 李富强）