基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)探討
——以“傳感器的應(yīng)用”為例

(貴州省遵義市教育科學(xué)研究院，貴州　遵義　563000)

1　整體設(shè)計(jì)思路

傳感器作為21世紀(jì)高精尖技術(shù)之一，在工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、家用電器等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。為提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，課堂教學(xué)可結(jié)合傳感器應(yīng)用實(shí)例，采用合作討論、實(shí)驗(yàn)探究、自主學(xué)習(xí)等教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)、分析、處理問(wèn)題、合作交流等能力。課前，教師將學(xué)生分為若干學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收集有關(guān)傳感器在生活中應(yīng)用的實(shí)例，并在課堂上交流。在講解“傳感器的工作原理”知識(shí)的基礎(chǔ)上，使學(xué)生首先明確傳感器應(yīng)用的一般模式，分析傳感器在生產(chǎn)、生活中的實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)傳感器工作機(jī)制的理解，本節(jié)課的教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

經(jīng)歷如上教學(xué)過(guò)程后，學(xué)生能夠加深對(duì)各類傳感器的認(rèn)識(shí)，能在實(shí)例中分析各類簡(jiǎn)單傳感器的工作原理，意識(shí)到物理與生產(chǎn)、生活的緊密聯(lián)系，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和精神、提高學(xué)生合作與表達(dá)能力的教學(xué)目標(biāo)。

圖1

2　教材分析

本節(jié)課是在上一節(jié)“傳感器的工作原理”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹傳感器在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)介紹力、光、溫度傳感器應(yīng)用的實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)傳感器特性的了解，拓展對(duì)各類傳感器的認(rèn)識(shí)。教材向?qū)W生介紹傳感器在電路中的實(shí)際功用，力求達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析簡(jiǎn)單電路的能力。本節(jié)教學(xué)目標(biāo)定位于“了解”層面，要求學(xué)生了解傳感器應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)，體會(huì)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)間的密切聯(lián)系。

3　學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)“傳感器原理”的學(xué)習(xí)，已初步形成傳感器的概念，感受到傳感器在當(dāng)今生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)也了解到部分元件的性能及其工作原理。但由于初次接觸傳感器的相關(guān)知識(shí)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)還處于“初級(jí)”階段。本節(jié)應(yīng)在前一節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生感受傳感器給人類生產(chǎn)、生活帶來(lái)的便利。

4　教學(xué)目標(biāo)

(1) 了解傳感器應(yīng)用的一般模式，了解力傳感器在電子地磅秤上的應(yīng)用、溫度傳感器在電飯煲上的應(yīng)用、光傳感器在火災(zāi)報(bào)警器中的應(yīng)用。

(2) 了解傳感器在生活中簡(jiǎn)單應(yīng)用的實(shí)例，分析傳感器在電路中的作用。利用傳感器的特性，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路。

(3) 進(jìn)一步了解傳感器在生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用，認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的關(guān)系。

(4) 經(jīng)歷資料收集、小組討論的過(guò)程，發(fā)展學(xué)生收集信息、處理信息的能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神及表達(dá)能力。

(5) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)現(xiàn)象作出解釋的能力以及對(duì)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

5　教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：了解傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

難點(diǎn)：利用傳感器元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

6　教學(xué)方法

講授法、討論法、實(shí)驗(yàn)法、演示法、自學(xué)輔導(dǎo)法。

7　教學(xué)儀器

干電池、小燈泡、開(kāi)關(guān)、雙金屬片、磁鐵、鐵塊、鐵氧體、導(dǎo)線若干、酒精燈、光電二極管、蚊香、電阻、安培表等。

8　教學(xué)過(guò)程

8.1　引入新課

教師講解：傳感器在當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛。例如：醫(yī)院中能快速準(zhǔn)確測(cè)量人體體溫的體溫計(jì)、銀行門前能自動(dòng)開(kāi)關(guān)的紅外自動(dòng)門、樓梯走廊里能靠聲音控制燈泡亮滅的開(kāi)關(guān)等(如圖2)，本節(jié)課我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)生活中常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用。

圖2

學(xué)生活動(dòng)：觀看圖片，思考問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：采用開(kāi)門見(jiàn)山式的引入方法，承接上節(jié)課的知識(shí)。使學(xué)生感受傳感器在身邊的實(shí)際應(yīng)用，明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)目的。

8.2　新課教學(xué)

8.2.1傳感器應(yīng)用的一般模式

教師講解：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了傳感器是將非電學(xué)量(如力、溫度、光、聲)轉(zhuǎn)化為電路通斷或電學(xué)量(電流、電壓等)的裝置。但是，敏感元件輸出的電學(xué)量一般很弱，無(wú)法直接使用。所以，在一般傳感器應(yīng)用的電路中，都需要將微弱的電學(xué)量放大或轉(zhuǎn)換成電路的通斷后才能使用(如圖3)。

圖3

8.2.2學(xué)習(xí)小組匯報(bào)

教師活動(dòng)：組織學(xué)習(xí)小組，代表匯報(bào)課前通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢的力傳感器、溫度傳感器、光傳感器在生活中的應(yīng)用。聆聽(tīng)學(xué)生匯報(bào)，做好知識(shí)點(diǎn)間過(guò)渡銜接。

學(xué)生活動(dòng)：匯報(bào)、討論課前查詢資料的成果。

設(shè)計(jì)意圖：概括傳感器應(yīng)用的一般模式，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，幫助學(xué)生梳理傳感器在電路中的工作機(jī)制，為接下來(lái)的教學(xué)作鋪墊。

教師總結(jié)：通過(guò)同學(xué)們的匯報(bào)、交流，看來(lái)傳感器在我們的日常生產(chǎn)生活中已有廣泛的應(yīng)用，給我們生活帶來(lái)許多便利。今天我們繼續(xù)學(xué)習(xí)幾種生活中常見(jiàn)的傳感器。

8.2.3力傳感器

教師活動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)查找的資料，談?wù)劻鞲衅髦械脑捌涔ぷ髟恚a(bǔ)充完成圖4。根據(jù)學(xué)生的回答，補(bǔ)充總結(jié)應(yīng)變片在力學(xué)傳感器中的作用。

圖4

學(xué)生活動(dòng)：討論、交流對(duì)力傳感器元件及工作原理的認(rèn)識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生收集和處理信息、合作表達(dá)等能力，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)傳感器應(yīng)用的了解。

教師活動(dòng)：在以上活動(dòng)基礎(chǔ)上，將學(xué)生分成若干小組，根據(jù)應(yīng)變片的工作原理，讓學(xué)生設(shè)計(jì)將彈簧形變量與變阻器的滑動(dòng)連接點(diǎn)同步連動(dòng)的電子地磅秤，如圖5所示的簡(jiǎn)單電路圖。

圖5

學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合之前總結(jié)的力傳感器的工作原理，學(xué)生相互協(xié)作，探討設(shè)計(jì)電子地磅秤電路圖。

設(shè)計(jì)分組討論結(jié)束后，教師組織學(xué)生匯報(bào)設(shè)計(jì)方案，教師總結(jié)點(diǎn)評(píng)。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中與他人協(xié)作、交流能力，引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)電路圖，促進(jìn)知識(shí)水平達(dá)到應(yīng)用層次。

8.2.4溫度傳感器

(1) 雙金屬片

教師演示雙金屬片實(shí)驗(yàn)，雙金屬片取材于廢棄日光燈啟輝器，通過(guò)干電池、小燈泡、開(kāi)關(guān)、雙金屬片組成一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路。閉合開(kāi)關(guān)，電路連通，燈泡不亮。利用酒精燈加熱雙金屬片，由于雙金屬片彎曲，燈泡點(diǎn)亮。將酒精燈移除，雙金屬片恢復(fù)原狀，燈泡熄滅。通過(guò)攝影機(jī)連接投影儀，放大雙金屬片加熱所產(chǎn)生的形變。

教師結(jié)合圖6，講解雙金屬片在電熨斗中的應(yīng)用。

圖6

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)雙金屬片實(shí)驗(yàn)演示儀，向?qū)W生直觀地展示雙金屬片在電路中的作用。

(2) 感溫鐵氧體

教師活動(dòng)：邀請(qǐng)一位學(xué)生使用酒精燈加熱由磁鐵吸引的普通鐵塊，再邀請(qǐng)另一位學(xué)生加熱由磁鐵吸引的感溫鐵氧體，請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

提問(wèn)：為什么同時(shí)加熱由磁鐵吸引的鐵塊會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象？

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生在教師的指導(dǎo)下參與演示實(shí)驗(yàn)，并利用課前查閱的資料解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)課前查找資料，有能力說(shuō)出感溫鐵氧體的基本特性，即在室溫下具有磁性。當(dāng)溫度達(dá)到103度“居里點(diǎn)”后，鐵氧體磁性消失。發(fā)揮學(xué)生課堂主體性，鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力，使學(xué)生認(rèn)識(shí)感溫鐵氧體的特性。

8.2.5光傳感器

教師將煙霧報(bào)警器啟動(dòng)，在煙霧報(bào)警器下部點(diǎn)燃蚊香，請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，講解煙霧報(bào)警器的構(gòu)造。

分組實(shí)驗(yàn):請(qǐng)學(xué)生連接如圖7所示的電路圖，探究光電二極管在不同光照條件下，電路中電流的變化情況。

圖7

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：采用教師演示加學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)模式，以激發(fā)學(xué)生好奇心，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力。

8.2.6教學(xué)小結(jié)

結(jié)合板書(shū)，教師引導(dǎo)學(xué)生回憶本節(jié)課所學(xué)習(xí)的主要知識(shí)點(diǎn)。

8.2.7作業(yè)

(1) 請(qǐng)用所學(xué)的知識(shí)解釋夜晚樓道內(nèi)燈泡可在聲音的控制下點(diǎn)亮，天亮?xí)r燈泡會(huì)自動(dòng)熄滅的設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的傳感器。

(2) 寫(xiě)一篇小論文，談?wù)勀銓?duì)傳感器在未來(lái)生活中應(yīng)用的看法。