物理教學(xué)中如何滲透“STS”教育——以“傳感器及其工作原理”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

張素華

（江蘇省射陽縣第二中學(xué)，江蘇 射陽 224300）

“STS”教育宗旨是培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)的公民，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會的相互作用，重視科學(xué)技術(shù)在社會生產(chǎn)、人民生活水平提高中所起的作用，把當(dāng)今時(shí)代與科技相關(guān)的重大社會問題納入教育之中，包括科技的應(yīng)用問題、科技發(fā)展動向問題等.

如何在物理教學(xué)中滲透“STS”教育，筆者在教學(xué)實(shí)踐中做了一些嘗試，下面以“傳感器及其工作原理”為例來加以說明.

1 對教材和學(xué)生的分析

“傳感器”這一章講述傳感器的相關(guān)知識.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器的應(yīng)用已經(jīng)越來越普及，我們的身邊已經(jīng)大量使用著各種各樣的傳感器.例如電視機(jī)遙控器中使用著光學(xué)傳感器；電飯鍋、電冰箱中使用著溫度傳感器等等.

“傳感器及其工作原理”這一節(jié)是定性研究一些原理性基礎(chǔ)知識，不要求做定量計(jì)算.做好本節(jié)教學(xué)的關(guān)鍵是多舉實(shí)例和多做實(shí)驗(yàn)，很多初看起來不容易的原理，動手一做就明白了.學(xué)生以前學(xué)習(xí)物理更多側(cè)重概念、規(guī)律、解題，剛接觸這一節(jié)內(nèi)容會有畏難情緒，教師要做好引導(dǎo)工作.

教好這1節(jié)的內(nèi)容，能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、自主學(xué)習(xí)、合作探究等方面的能力；能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的情感；也能很好地體現(xiàn)新課改的理念、滲透“STS”教育.

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）知識與技能.

知道什么是傳感器，知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義；認(rèn)識一些制作傳感器的元器件并知道它們的性能，知道這些傳感器的工作原理.

（2）過程與方法.

通過對實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究，讓學(xué)生初步形成傳感器的概念、感受傳感技術(shù)在信息時(shí)代的作用與意義；經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力.

（3）情感、態(tài)度與價(jià)值觀.

體會傳感器在生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域的種種益處，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的知識視野，并加強(qiáng)物理與STS的聯(lián)系；通過動手實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作精神、社會責(zé)任感和創(chuàng)新意識.

3 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

重點(diǎn)：理解傳感器的工作原理.

難點(diǎn)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究敏感元件的特性.

4 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

多媒體播放美國“勇氣號”火星探測器于北京時(shí)間2004年1月4日12時(shí)35分成功登陸火星的圖片；播放神舟九號和天宮一號成功對接的視頻.

設(shè)計(jì)思路：播放這兩個對學(xué)生很有震撼力的片段引入新課，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這樣聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生感受到傳感器的巨大作用，也能感受到中國航天事業(yè)的迅猛發(fā)展和巨大成就，同時(shí)也感受到中國和發(fā)達(dá)國家在航天技術(shù)上的差距，增強(qiáng)學(xué)生的使命感，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的情感和崇尚科學(xué)的精神.

4.2 什么是傳感器

演示實(shí)驗(yàn)：如圖1所示，小盒子的側(cè)面露出一個小燈泡，盒外沒有開關(guān)，當(dāng)把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會發(fā)光，把磁鐵移開，燈泡熄滅.（請一位學(xué)生上臺操作）

圖1

圖2

教師：盒子里有怎樣的裝置，才能實(shí)現(xiàn)這樣的控制？

師生探究：打開盒子，用實(shí)物投影儀展示盒內(nèi)的電路圖（如圖2）、了解元件“干簧管”的結(jié)構(gòu).

學(xué)生解釋：當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，2個由軟磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，電路導(dǎo)通，干簧管起到了開關(guān)的作用.

教師歸納：“干簧管”是一個能感受磁場的傳感器.

演示實(shí)驗(yàn)：聲光控開關(guān)控制樓梯燈的通斷（如圖3）.

圖3

①在普通光的條件下，讓一學(xué)生對著聲控開關(guān)喊一聲，燈不亮；

② 把光控開關(guān)用黑紙包裹，再讓學(xué)生對著聲控開關(guān)喊一聲，燈亮.

教師歸納：聲控開關(guān)和光控開關(guān)分別是能感受聲音和光的傳感器.

師生總結(jié)：現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指這樣一類元件，它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷.我們把這一類元件叫做傳感器.它的優(yōu)點(diǎn)是：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，就可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制了.

教師提問：傳感器的基本工作原理是什么？投影展示（如圖4）.

圖4

設(shè)計(jì)思路：通過探究、觀察一些現(xiàn)象和常見事例，使學(xué)生初步形成傳感器的概念.演示實(shí)驗(yàn)是物理課堂教學(xué)中最具特色的學(xué)科教學(xué)語言的表達(dá)形式，教師精心選擇、巧妙設(shè)計(jì)的課堂演示實(shí)驗(yàn)，甚至是把生活用品作為實(shí)驗(yàn)器材，并讓學(xué)生一起參與操作、探究、討論，這樣既能活躍課堂氣氛，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果.把課本知識和生活實(shí)際相聯(lián)系，這也就是在物理課堂中滲透“STS”教育的體現(xiàn).

4.3 認(rèn)識一些制作傳感器的元器件

4.3.1 光敏電阻

（1）探究光敏電阻的特性.

①將光敏電阻與多用電表的歐姆擋按圖5所示連成電路（將實(shí)驗(yàn)器材放在實(shí)物展臺上，便于所有學(xué)生參與讀數(shù)）.

圖5

②將光敏電阻受光面置于有光線照射的地方，電表置于倍率為100的歐姆擋，觀察多用電表的讀數(shù).讓學(xué)生上來，用手電筒、黑紙片使光敏電阻受到的光線出現(xiàn)較亮、稍暗、黑暗3種情況，觀察幾種情況下光敏電阻的阻值變化，并把相應(yīng)的阻值填入自己設(shè)計(jì)的表1中.

表1

③ 在相同條件下，將光敏電阻換成刮去漆層的普通電阻進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn).

學(xué)生總結(jié)：光敏電阻的導(dǎo)電性能隨著光照強(qiáng)度的增加而大大增強(qiáng).

教師歸納：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量.

（2）簡單介紹.

光敏電阻在光照射下電阻變化的原因.（和學(xué)生一起看書“科學(xué)漫步”欄目，學(xué)生有所領(lǐng)會即可）

3 小組交流.

列舉光敏電阻在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用.樓梯開關(guān)、路燈開關(guān)、遙控器、火災(zāi)報(bào)警器等等.

設(shè)計(jì)思路：讓學(xué)生以實(shí)驗(yàn)操作的方式將光敏電阻與普通電阻進(jìn)行對比研究，顯示光敏電阻對光照的高度敏感性.通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己動手、動腦去發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的某些結(jié)論，既可提高學(xué)生對物理、對科技的興趣，又能克服注入式教學(xué)方式的枯燥.由學(xué)生交流得出光敏電阻在日常生活和現(xiàn)代科技中的廣泛應(yīng)用，更加能激發(fā)學(xué)生學(xué)好物理，回報(bào)社會的動力.

4.3.2 金屬熱電阻和熱敏電阻

（1）探究熱敏電阻的特性.

提出問題：熱敏電阻的導(dǎo)電性能與溫度有什么關(guān)系呢？

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：按照圖6所示的電路將熱敏電阻接入電路，將多用電表選擇開關(guān)置于歐姆擋，選擇適當(dāng)?shù)谋堵剩脺囟扔?jì)測量溫度，用多用電表測量不同溫度下的電阻.

實(shí)驗(yàn)步驟：（兩位學(xué)生上來操作，歐姆表放在實(shí)物展臺上，所有學(xué)生參與讀數(shù)）

① 按圖6電路圖連接電路；

② 取半杯熱水，將熱敏電阻及溫度計(jì)放入水中；

③ 同時(shí)測量并記錄水溫和電阻值，記入表2；

④ 逐漸倒入少許冷水，改變杯中的水溫，再同時(shí)測量水溫和電阻值，填入表2.

圖6

表2

學(xué)生得出結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度的變化非常明顯.

（2）探究金屬熱電阻的特性.

提出問題：金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎？關(guān)系如何？

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：用類似上面的實(shí)驗(yàn)方案操作.（如圖7，從舊日光燈管內(nèi)取來的鎢絲，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很不明顯，有學(xué)生提出用打火機(jī)加熱，現(xiàn)象明顯.）

學(xué)生得出結(jié)論：溫度升高，金屬導(dǎo)體的電阻值增大.

教師歸納：金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻都可以制作溫度傳感器.它們都能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測量范圍大，但靈敏度較差.

（3）小組交流.

列舉溫度傳感器在生活中的應(yīng)用實(shí)例.電鈑鍋、電熨斗、恒溫箱、日光燈啟動器、火災(zāi)報(bào)警器等等.

圖7

設(shè)計(jì)思路：讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，再通過小組合作做實(shí)驗(yàn)，自己得出結(jié)論，學(xué)生們在愉快的氣氛中獲得了知識，并為自己能發(fā)現(xiàn)知識而倍受鼓舞.這樣有利于學(xué)生創(chuàng)造思維的培養(yǎng)，有利于團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)，也有利于學(xué)生身心的健康發(fā)展.教學(xué)中，有意識介紹同功能的多種傳感器，目的是讓學(xué)生體會解決問題可以有多種途徑.在讓學(xué)生列舉傳感器的各種應(yīng)用事例的同時(shí)，使學(xué)生對于科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系有更全面的認(rèn)識和體會，對于科學(xué)技術(shù)對社會發(fā)展所起到的重要作用有更深刻的認(rèn)識.

4.3.3 霍爾元件

（1）引導(dǎo)學(xué)生一起看書，了解霍爾元件的工作原理.

（3）引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)，教師點(diǎn)評.

（4）介紹實(shí)例.

霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制成的新型磁敏元件，被廣泛應(yīng)用于錄、放音機(jī)和錄、放像機(jī)等電路中.

設(shè)計(jì)思路：學(xué)生在《物理》選修3－1的“課題研究”中對霍爾效應(yīng)略有了解，本節(jié)在此基礎(chǔ)上介紹霍爾元件.霍爾元件的理論學(xué)生覺得有點(diǎn)高深，霍爾元件的應(yīng)用又似乎離學(xué)生的生活有點(diǎn)兒遠(yuǎn)，但這個環(huán)節(jié)處理好了則更能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲望.

5 布置作業(yè)

（1）如圖8所示為光敏電阻自動計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻.此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是

（A）當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓.

（B）當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓.

（C）信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次.

（D）信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次.

圖8

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：小組合作設(shè)計(jì)一個火警報(bào)警器.可供選擇的器材如下：熱敏電阻、學(xué)生電源、繼電器、滑動變阻器、定值電阻、開關(guān)、導(dǎo)線.（如有需要可以自行添加所需器材）

6 教學(xué)反思

本節(jié)課內(nèi)容技術(shù)性較強(qiáng)，與社會生產(chǎn)生活聯(lián)系又很密切，這正是在課堂上滲透“STS”教育的絕好機(jī)會.在課堂上盡可能多地設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)，盡可能多地聯(lián)系社會生活實(shí)際，這樣既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有利于培養(yǎng)學(xué)生探究能力和觀察、分析、解決實(shí)際問題的能力.教育學(xué)生領(lǐng)會科學(xué)、技術(shù)、社會發(fā)展的關(guān)系、培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感，更是我們物理教師的責(zé)任.整個教學(xué)過程符合新課程的三維目標(biāo)，體現(xiàn)新課程的理念，這正是當(dāng)今素質(zhì)教育所要求的.