巧設實驗情境 培育核心素養

付麗萍 沈璐

摘 要：以“光電傳感器的原理”教學片段為例，巧設實驗，創設情境;巧析實驗，建立概念;巧設實驗，分析論證;巧釋實驗，拓展遷移.引導學生了解光電傳感器的工作原理，在具體的學習活動中，培育學生的物理核心素養.

關鍵詞：實驗情境;核心素養;光電傳感器

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0025-04

基金項目：2020年度福建省本科高校教育教學改革研究項目“信息化背景下物理教育碩士混合式實驗案例資源庫開發研究”（項目編號：FBJG20200074）.

作者簡介：付麗萍（1962-），女，河南魯山人，本科，教授，研究方向：物理課程與教學論;沈璐（1997-），女，福建漳州人，碩士，研究方向：中學物理教學.

《普通高中物理課程標準（2017版）》（以下簡稱“新課標”）提出物理學科核心素養，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面凝煉了物理學科的育人價值.實驗是物理學習的重要環節，是培養學生物理學科核心素養的重要途徑和方式[1].傳感器是高中物理選擇性必修2模塊的四個主題內容之一[1]，是學生在學習完力學、電磁學、光學等物理知識后，進一步了解物理學在技術層面的應用.傳感器在自動控制和信息處理等技術中發揮著非常重要的作用，傳感器主題的教學內容體現了“物理與社會發展”“物理與技術應用”“物理與生活”息息相關的課程理念.新課程標準對本節教學的要求是：通過實驗，了解傳感器的工作原理.會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置.教學實踐表明，光電傳感器的結構和原理比較復雜，大多數學生并不了解其中蘊含的物理原理.例如，光電傳感器中的光敏電阻是典型的光敏元件，有著廣泛的應用，而學生對其光敏特性缺少感性認識，對其中的一些典型電子元件（如干簧管、三極管等）比較陌生，存在著認知困難.因此， 用真實的實驗創設情境來彌補上述不足顯然是個不錯的選擇.

1 基于核心素養培育的教學設計

基于以上的分析，我們以“光電傳感器的原理”教學片段為載體，以培育學生物理學科核心素養為主線，巧設實驗情境，引發學生思考，幫助學生理解.教學設計模型如圖1所示.

2 基于核心素養培育的教學過程

2.1 巧設實驗 導入新課

師：美妙的音樂能使人心曠神怡，今天老師用這把普通的手電筒就能讓同學們現場聽到悅耳的歌聲，大家信不信？

教師活動：展示自制光控音樂演示儀，并用手電筒光照其中的光敏電阻（如圖2）.

生（眾）：很興奮，聽到了.

師：哪個同學愿意上來體驗一下？

生：用手電筒光照光控音樂板，音樂響起.

提出問題：為什么用手電筒的光照就能控制音樂的播放呢？

設計意圖 教學中通過自制的實驗儀，創設真實有趣的實驗情境，激發學生的學習興趣，引發學生的認知需要，啟動學生的思維.光控音樂演示儀材料易取、現象明顯，并可以作為教具重復使用，見表1.

2.2 巧析實驗 建立概念

教師活動1：引導學生觀察手電筒靠近及遠離光敏電阻時的實驗現象.

學生活動：觀察實驗現象.

師：請同學們回憶一下傳感器的概念.

生：傳感器是將非電學量轉換成電學量的器件.

教師活動2：PPT展示傳感器概念.

提出問題：光電傳感器感受什么類型的信號？

生：光信號.

提出問題：什么是光電傳感器？

生：光電傳感器是能感受光信號，按照一定規律把光信號轉換成電信號的器件.

師：光電傳感器是如何把光信號轉換成電信號的呢？

教師活動：PPT展示分析流程圖如圖3.

學生活動：交流、思考.

師生分析：傳感器一般是由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成.光電傳感器利用光敏電阻作為敏感元件和轉換元件，將接收到的光信號轉換成電阻變化這一電信號，再通過轉換電路控制音樂播放.

設計意圖 從現象入手分析實驗現象，通過問題驅動明確非電學量轉化成電學量的技術意義.利用流程圖引導分析，讓學生在頭腦中形成“有光然后有電”“光信號轉換成電信號”的物理表象，經歷“觀察—思考—分析”的思維活動，使學生的思維經歷由具體到抽象的轉化[2].建立光電傳感器的概念，初步形成與傳感器相關的運動與相互作用觀念.

2.3 巧用實驗 分析論證

任務1：探究光敏電阻的特性.

教師活動：介紹實驗器材如圖4.

任務驅動：請同學們利用桌面上的實驗器材兩人一組動手實驗（如圖4）.

學生活動：選擇器材，進行實驗探究.

師：在實驗過程中發現了什么？

生1：用手電筒光照光敏電阻，電流計指針的偏轉格數變多.

生2：用黑布遮住光敏電阻，電流計指針的偏轉格數變少.

師：哪位同學能根據實驗現象分析一下光敏電阻的特點？

生1：由歐姆定律可以推出，當光照由強變弱時，光敏電阻的阻值由小變大.

生2：入射光強，阻值變小;入射光弱，阻值變大.

師：請同學們用桌上的黑布遮住光敏電阻，再用手電筒光照色環電阻，對比一下.

生（眾）：電流計指針沒有變化.

師：很好！請同學們思考下，為什么會有這樣的現象呢？

生：光敏電阻是用半導體材料制成的，當光照到這些半導體物質上時，它的電阻率減小，阻值也隨之減小.

師：光敏電阻一般可以用于光的測量和光的控制.光敏電阻型號很多，像光控音樂板所用的光敏電阻，受光照時阻值約為500Ω，不受光照時，其電阻值是受光照射情況下的100-2000倍.

設計意圖 光敏電阻是典型的光敏元件，在光電傳感器中應用廣泛.現行的教材中一般是直接用歐姆表測量光敏電阻阻值，此方法會因為外部環境光照的變化，導致儀器示數跳動不穩定，學生不易讀數.在教學中我們用靈敏電流計替代歐姆表進行創新設計，引導學生根據電路中靈敏電流計指針偏轉情況，分析論證得出實驗結論，培養學生基于證據解釋問題的能力.該實驗器材低值易取，電路簡單，操作方便并能進行半定量的測量.

任務2：認識干簧管元件.

教師活動：介紹并演示干簧管實驗如圖5所示.

師：同學們發現了什么？

生（眾）：磁鐵靠近干簧管，燈泡發光.磁鐵離開，燈泡熄滅.

提出問題：磁鐵是如何通過干簧管控制燈泡的亮暗呢？

生：磁鐵靠近，周圍磁場會變強;磁鐵離開，周圍磁場會變弱.

師：磁鐵靠近時，干簧管的簧片就會被磁化吸合;磁鐵遠離，兩簧片就會分開.干簧管是一種開閉受磁場強弱控制的開關，在光控音樂板中，干簧管與音樂播放器串聯，干簧管的通斷控制音樂播放.

設計意圖 傳感器的工作離不開其它電子元件.了解常用的電子元件有助于學生學習傳感器的工作原理，學會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置.利用實驗室隨手可取的開關、電池盒、小燈座等低值品材料，設計干簧管實驗，通過對實驗現象的分析論證，加深學生對干簧管的認識.

任務3：了解三極管的工作原理.

提出問題：在實際的控制電路中，光敏電阻阻值很大，通過線圈電流很小，產生的磁場無法使干簧管閉合，如何解決呢？

生：多繞線圈或增大電流.

師：兩種方法都可行.自制的光控音樂演示儀采用三極管這一電子元件來放大電流，配合光敏電阻、干簧管完成光控開關的任務.

教師活動：介紹NPN三極管如圖6.

引導分析：當基極b、發射極e兩端電壓小于一定值，集電極c和發射極e之間相當于斷路不導通;當基極b、發射極e兩端電壓達到一定值時，集電極c和發射極e導通，并且集電極的電流會被放大.三極管不僅有放大電流的作用，還能作為開關使用，能使電路接通或斷開[3].

設計意圖 在光電傳感器的控制電路中，由于光敏電阻的阻值很大，需要接入電壓很高的電源，否則電路電流很微弱，很難直接驅動裝置工作.因此，在實際設備中可以采用放大電路的配置，電路中接入一個NPN型三極管，它能在導通狀態下放大通過線圈的電流，此時只需要4節干電池作為電源便能實現.光敏電阻在有光照時，三級管處于導通狀態;無光照時，三極管處于截止狀態，能夠實現光照自動控制的功能.三極管是生活常用的電子元件，分析三極管的工作原理，了解一些電工技術方面的知識，提高實踐應用能力，拓展學生的學習視野.

2.4 巧釋實驗 拓展遷移

任務1：結合電子元件功能分析電路圖，解釋光控音樂演示儀的工作原理.

教師活動：展示并介紹電路圖如圖7，電阻R1和光敏電阻Rg組成串聯分壓電路，三極管的基極b和發射極e分別與電阻R1兩端相連.當光敏電阻阻值發生變化，則會導致電阻R1兩端的電壓發生變化，進而影響三極管基極和發射極兩端的電壓，控制三極管的通和斷.

提出問題：當用手電筒光照時，電路電流會如何變化呢？

教師活動：展示流程圖如圖8.

引導分析：有光照時光敏電阻阻值變小，R1的分壓就變大.基極和發射極間的電壓達到一定程度后，三極管導通，此時，由電源正極經過電阻R3、線圈、三極管集電極和發射極到電源負極的回路被導通，并且線圈中的電流被放大，干簧管接通，實現音樂播放.

提出問題：當手電筒關閉后，電路電流又會如何變化呢？

生：無光照時光敏電阻阻值變大，R1的分壓變小，基極和發射極間的電壓小于一定值，三極管不導通，由電源正極經過電阻R3、線圈、三極管集電極和發射極到電源負極的回路被斷開，通過線圈電流幾乎為零，干簧管斷開，音樂停止.

設計意圖 分析光電傳感器工作原理是教學的重難點，利用流程圖，引導學生將實驗中的復雜物理現象轉化成簡單物理問題，對控制電路進行分析推理，培養學生的科學態度.

任務2：學以致用.

教師活動：演示自制光控燈（如圖9）.

布置任務：請同學們參考光控燈的電路圖，課下利用電源、開關、光敏電阻、三極管、水泥電阻、可調電阻、面包板、LED燈珠等電器元件以小組為單位制作一個簡單的光控燈，控制燈可以在天亮時自動關閉，而在天暗時自動開啟.

設計意圖 展示自制簡易光控燈，便于學生選擇合適的電子元器件，設計簡單的電子電路，解決實際問題.使學生體會到光電傳感器為生活帶來的便利，引導學生關注物理在生產生活中的實際應用，增強科學態度與社會責任感.

3 結束語

2017年版新課標在地方和學校實施本課程的建議中明確指出，要利用日常用品改進實驗或開發新實驗”[1].在教學中利用低值品自制實驗，取材方便、現象直觀，能有效幫助學生克服認知障礙突破教學難點，充分發揮物理實驗對于培育學生物理核心素養的獨特作用.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]鄭志湖.構建學為中心的物理課堂 培育學生核心素養[J].物理教學，2018，40（03）：11-14.

[3]彭前程，黃恕伯.普通高中教科書物理（選擇性必修第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

（收稿日期：2021-05-31）