基于STEM理論的“傳感器工作原理及應用”教學設計

王思齊

西南大學教師教育學院，重慶 400715

1 引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出21世紀更需要跨學科、復合型人才。分科教學會導致學生只掌握各學科的內容，卻缺乏將各學科知識整合起來的能力。而現實生活中的問題具有復雜性、不確定性和綜合性。只用某一門學科的知識很難解決實際問題，所以在教學中需要針對這一問題作出新的變革。

STEM教育由美國學者在1986年提出后，很快傳播至全球多個國家。2015年9月教育部辦公廳印發的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》首次提及探索“STEAM”教育。2016年6月教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》指出，要積極探索信息技術在STEAM中的應用，培養學生的創新意識與創新能力。基于STEM教育理念的教學已經成為一大熱門。本文以培養學生的信息素養、創新意識與創新能力并完成相應高中課標要求為目的，致力于將STEM教育理念融入物理課堂中，并進行教學設計。

2 探究型STEM教育的教學模式建構

STEM教育的核心是將科學、技術、工程和數學四門學科進行有機整合，以培養學生的實踐能力和創新精神。教師在將STEM理念運用于課堂教學時，應該針對不同類型的課程選擇相應的教學模式。本研究針對探究型課程，在已有研究的基礎上，結合高中物理的教學特點設計了如圖1所示的STEM教學應用模式。

圖1 探究型STEM教學應用模式

探究型STEM教學應用模式分為4個環節。第一個環節是“探究生活中的物理”，其設計意圖為調動學生的學習興趣，讓學生感受生活與物理連接的緊密性，培養其提出問題和獨立思考的能力。第二個環節是“進行探究實驗并分析總結”，其設計意圖為通過探究性實驗的學習和研究，展示學生的研究思路和才能，讓學生體會物理實驗的魅力進而獲得物理知識。第三個環節是“基于教師補充的物理知識，驅動學生解決工程問題”：學生在進行工程設計時會遇到許多跨學科的問題，這一環節能鍛煉其創新能力并提高將各學科知識整合起來的能力。第四個環節是“進行工程制作，優化方案”：在制作過程中，不僅能鍛煉學生的團隊合作能力，還能培養其解決實際問題的綜合能力。此應用模式從生活中的物理出發，引導學生圍繞物理問題展開探究型學習并習得相關知識，最終通過運用知識進行工程制作，達到知識升華的目的。此外，在整堂教學設計中融入科學、技術、工程和數學，從而培養學生發現問題、解決實際問題的能力。

3 基于探究型STEM教學應用模式的教學設計

以“傳感器工作原理及應用”為例，按照上述模式進行教學設計。

通過一系列教學環節讓學生將所學知識整合到自己的認知結構之中，從而實現深度學習，取得更好的教學效果。因此，從學生的角度設計了本節課的教學目標及對應的教學環節。

本節內容選自人教版高中物理選擇性必修二第五章第二節“常見傳感器的工作原理與應用”。

“通過實驗，了解常見傳感器的工作原理。會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。了解光敏傳感器及其在生產生活中的應用”。

傳感器廣泛應用于現代生產、生活和國防科技中，但學生對此卻知之甚少。大部分高中生學習完光敏電阻后，只機械記憶了光敏電阻阻值變化與光照的關系，對于光敏電阻的具體應用沒有進一步的了解。然而，高中二年級的學生處于思維活躍、喜歡觀察和思考的階段，具有強烈的探究世界的動機，所以可通過一系列教學環節引導學生主動參與。按照探究型STEM教學應用模式的四個步驟，將科學、技術、工程和數學等元素融入課堂，以提高學生的綜合素質和解決實際問題的能力。

具體內容如表1所示。

表1 學習目標與STEM學習目標

（一）探究生活中的物理

教師活動：教師展示生活中的光控路燈。教師介紹，當天色暗到一定程度時，光控路燈產生感應，進而控制電路點亮路燈，為夜晚路上的車和行人照明；當天亮到一定程度時，光控路燈再次產生感應并斷開電路，燈熄滅。光控路燈如此“智能”的原因是路燈內部某一裝置能夠感應光照并將光照強度區分為一個范圍內的數值，當數值低于某值（根據當地情況自行設定），路燈就會被點亮，反之路燈熄滅。在這復雜的原理背后，有一個小小元件起著非常重要的作用——光敏電阻。教師向學生展示光敏電阻：把硫化鎘涂敷在絕緣板上，再用銀漿在其表面涂敷兩個互不相連的梳狀電極，這樣就制成了一個光敏電阻。由于硫化鎘的電阻率與所受光照的強度有關，所以當光敏電阻表面所受光照強度不同時，其電阻也不同。

學生對光敏電阻的阻值大小與光照強度之間的關系產生了強烈好奇心后，讓他們根據已有實驗儀器設計實驗方案。

實驗儀器：兩節干電池、導線若干（帶金屬夾）、光敏電阻、面包板、開關若干、小燈泡以及二極管。

學生活動：在教師引導下，學生將探究光敏電阻阻值與光照的關系實驗步驟分成以下幾步（表2）并得出具體電路圖（圖2）。

表2 探究光敏電阻阻值與光照關系實驗步驟分解

圖2 電路圖1

STEM設計意圖：本環節體現了STEM教育的情景性以及設計性。從日常生活入手，新穎的智能路燈更容易激起學生的好奇心，產生探索的欲望，從而體會生活與物理的關系。在面對探究問題時，學生在教師引導下將問題分為幾個步驟進行解決，有利于提高學生的探究能力以及分析問題、解決問題的能力。在探究過程中學生利用了以往的科學知識，實現了STEM教育理念的融入。

（二）學生進行探究實驗并分析總結

學生設計出探究實驗的電路圖后，在教師的引導下小組動手進行組裝并開始實驗，具體操作步驟如表3所示。

表3 學生進行探究實驗的具體步驟

圖3 電路圖2

圖4 實驗電路板

STEM設計理念：本環節體現了STEM教育的協作性和體驗性。通過小組一起進行實驗、發現問題、分析問題、改進實驗等步驟，能讓學生在探究過程中發展協同合作、交流溝通的能力。引導學生自己設計實驗并動手進行操作，不僅能夠讓學生獲得結果性知識，也能獲得過程性知識，同時能運用物理和數學知識發現并解決問題。

（三）教師補充物理知識，驅動學生解決工程問題

通過探究習得了光敏電阻阻值與光照變化的關系。接下來，為將物理與生活結合起來，使學生完成認知升級，布置學習任務：

在生活中有很多利用光控計數的地方，比如，生產流水線上的計數器、硬幣自動分類計數器等，后者在銀行里使用較為廣泛，機器可以將一堆硬幣分類收納并計數。請根據本節課所學知識，制作一個簡易的硬幣自動計數機，達到放入一枚硬幣進收納箱里，機器就能自動計數加一的目的。

僅靠學生目前掌握的知識不足以完成任務，教師應當對學生設計的工程計劃里不能完成的部分給予講解和幫助，也可以請信息技術老師參與課堂提供幫助。

師生開始討論梳理：放入一枚硬幣，示數就要加一，因此需要一個顯示屏；根據光敏電阻阻值變化特性，需讓硬幣進入時能改變光敏電阻周圍的光照情況，因此需要能識別電路中阻值變化的信號裝置。如此，便能使顯示屏的示數加一。在教師引導下，該思路細化為以下問題：

（1）硬幣下落如何改變光敏電阻阻值

要想改變光敏電阻阻值，則需改變光敏電阻周圍的光照情況。包括兩種情況：一是光敏電阻周圍是暗的，硬幣下落會使光敏電阻周圍變亮；二是光敏電阻周圍是亮的，硬幣下落會使光敏電阻周圍變暗。經商討和模擬，選擇第二種情況。

（2）如何考慮自然光的影響

學生通過小實驗得知，自然光對實驗影響非常大。設計一個裝置外殼，將光敏電阻放在內部。此外，為將光敏電阻處于一個較亮的環境，學生提出在裝置內部放一個小燈泡提供光亮。由于只在需要的時候才會使用硬幣計數機，所以讓小燈泡連入一個有開關和電池的電路，方便控制燈泡的亮暗。

（3）如何讓硬幣進入硬幣收納盒

關于硬幣如何進入硬幣收納盒，學生有兩種想法：一是做一個斜的滑道，在滑道下端安裝光敏電阻，將硬幣沿斜道滑下落入硬幣收納盒；二是直接在光敏電阻旁開一大小合適的小方孔，直接將硬幣放入收納盒，要求硬幣正對光敏電阻下落。兩種方案暫定。

（4）如何讓示數器自動加一

為保證每落下一枚硬幣，示數就加一，于是要求光敏電阻與示數器、電源、開關組成一個電路，硬幣落下時會遮光從而短時間改變光敏電阻的阻值，進一步在電路中產生一個信號。顯示器識別這種信號后示數自動加一。其中涉及到使用單片機以及編碼的內容，由信息技術老師提供幫助。

（5）如何設計裝置外殼

首先，學生考慮做成一個長方體狀的封閉裝置。關于做裝置的材料，學生考慮木板、硬紙板、薄金屬片等，這時教師介紹一種輕便且易加工的高密度泡沫板。然后，學生設計裝置長、寬、高的參數，加工其內部結構。同時，為方便查看內部電路連接情況。學生將上表面設計成一塊活動板。

學生在設計出初步方案后，將發現多個以目前的知識無法解決的問題。如需要一種裝置能識別電路中阻值變化的信號，進而使顯示屏的示數加一。這時物理老師及信息技術老師給學生一定的幫助：在學生已有的電路中添加一個繼電器和單片機，繼電器負責發出電流變化的信號，單片機則接收電流變化的信號，發出示數加一的指令，顯示屏接收指令就完成加一。

至此，學生就有了制作硬幣計數機的具體計劃。根據該計劃，硬幣計數機內部可以分為兩個部分，每部分的原理及所需材料如表4所示。

表4 硬幣計數機原理與制作所需材料

STEM設計理念：本環節體現了STEM教育的協作性、跨學科性、設計性和趣味性。學生自主提出多種多樣的想法并進行溝通交流，得到合作意識的有效培養。設計硬幣計數器是個綜合型工程任務，不僅需要物理學科知識和電子方面的知識，還需要學生的設計能力與動手能力，計算裝置外殼的參數并動手制作，做到了科學、技術、工程、數學的融合，培養學生使用多學科的思維和知識解決實際問題的習慣與能力，真正做到STEM教育理念的融入。

（四）進行工程制作，優化方案

學生自行安排人員分工，按照預先設計的方案進行工程制作。學生在制作過程中會遇到一些困難，比如，在焊接時不容易焊接成功；制作的裝置外殼不能很好遮光；裝置完成后丟硬幣進行實驗時，顯示屏變化不準確等等，需要通過交流討論、查閱資料以及咨詢老師等方式，不斷改進和優化制作方案，最終形成學生的作品。此外，因為制作途中會涉及切割問題，要提醒學生注意安全。制作過程中所設計的相關模型如圖5—圖8所示。

圖5 硬幣計數機正面圖

圖6 硬幣計數機整體圖

圖7 硬幣計數機內部結構

圖8 硬幣計數機原理圖

最后，學生展示最終的成品。若條件允許，在后期還可以對工程任務進行升級，如制作可以分類硬幣的硬幣計數器、可以自動分類的硬幣計數器等。

STEM設計理念：本環節體現了STEM教育的體驗性、協作性、藝術性。在整個制作過程，學生親自動手進行操作，體驗動手的快樂與成就感，在學生共同制作裝置的時候，加入審美的要求。

四 結 語

通過對“傳感器工作原理及應用”進行STEM教學設計與實施后，得出以下結論和建議：

STEM教學設計有助于新課標中核心素養的落實。融入STEM理念的教學設計對學生的工程與技術素養提出了更高的要求，在解決工程技術問題的過程中，能夠培養學生發現問題、收集證據、進行解釋與交流的能力，也能潛移默化地培養學生的科學思維與良好的科學態度與責任。

STEM教學設計更能夠培養新時代所需要的復合型人才。由于STEM教育是科學、技術、工程與數學的整合，對學生的培養目標是多維度、多方面的，強調對實際問題的解決，能夠改善學校課堂與社會生活割離的現狀，進而促進跨學科、綜合型人才的培養。

教師需根據實際情況運用STEM教育理念進行個性化設計。近年來STEM教育在國內外受到了廣泛關注，不免會出現對STEM教育理念進行生搬硬套的情況。然而，不根據具體的知識點與學生的情況強行將STEM教育理念加入教學設計里，不僅不能很好地讓學生完成認知建構，還額外增大了學生的學習量，同時不符合“雙減”的大背景。所以，教師要在分析所教課題與STEM理論的適切度、學生情況等基礎上進行科學判斷，從而作出合理的決策。此外，教學實踐中還存在學生學業繁重、課外時間較少、知識儲備有限、動手能力與解決實際問題能力相對較弱等問題，所以在設計方案、進行工程設計時可能會遇到不同層面的困難。一方面，需要教師針對具體問題設計教學過程；另一方面，也可以在適當的時機請相關專業人士走進課堂，打破物理只在學校里的窘境，將物理與生活、社會聯系起來。