S-3PBL科創教育模式下高中物理校本課程實踐研究

【摘 要】傳感器是現代科學的結晶，在課堂教學中發揮著越來越重要的作用。在數字化環境下，根據新課標中的核心素養要求，與科創教育聯系緊密的傳感器走進中小學的科學課堂，是大勢所趨。本文主要對傳感器在高中物理校本課程教學中的具體應用進行探討，緊密結合課內教學，介紹依據S-3PBL-1科創教育模式來設計并嘗試實施的教學實例，并對整個教學研究過程進行總結與反思，提出建議，為進一步深入探討傳感器與中小學科學教學的融合應用提供借鑒。

【關鍵詞】傳感器;科創教育;校本選修課程;融合

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）08-013-04

問題的提出

近年來，“數字化實驗”等新技術逐漸進入中小學課堂，科創教育作為科學創新教育，也席卷全國[1]。信息技術在物理教學中發揮著越來越重要的作用，可以幫助我們建立物理模型、模擬仿真物理過程，具有強大的計算功能。普適計算與泛在感知已經成為核心素養的必要條件，計算不只是輔助手段，計算教育能夠提高學生學科核心素養，促進創新人才培養[2]。

傳感器是能夠將所感受到的物理量（如力、熱、光、電、聲等）轉換成便于測量的量（一般是電學量）的一類元件。根據科學課程新課標的核心素養要求，傳感器作為計算手段之一，僅高中物理新教材中需要傳感器輔助采集、整理數據的演示實驗就多達12個。但科學教學課時有限，高中作為初中的延續，“雙減”政策也影響到了高中課程安排，因此急需基于傳感器等課堂教學的生長點來構建校本課程。本文依據北京師范大學項華教授提出的S-3PBL-1科創教育模式，以高中物理校本課程構建為例，探索傳感器與中小學科學校本課程的教學融合。

“傳感器”校本課程實踐案例

1.教學方案

（1） 設計過程

查閱（文獻、網絡等）傳感器的種類、功能及其應用。傳感器在探究課中的作用：通過設計并實施具體案例（研究熱敏電阻的阻值隨溫度的變化關系）探討傳感器如何在系列科創校本課程中發揮作用。

課程方案設計流程如圖1所示。

（2）課程目標與進度安排

課程目標：綜合物理、數學、信息科技等學科進行跨學科教學，在教學過程中設計多種學習活動，讓學生利用信息技術來設計方案，利用傳感器采集和處理數據等，鼓勵學生將信息技術運用到物理學習中，提升學生解決問題的能力，幫助學生適應數字化時代的學習。

進度安排：約需10課時完成系列校本課程學習。2課時查閱資料，認識傳感器的種類和功能，學生根據自愿原則，2人一組;1課時提出研究內容，確定要研究的傳感器的主要敏感元件;2課時做實驗準備，包括理論準備和實驗器材準備;1課時制定實驗方案，充分利用傳感器和電腦等信息技術手段，優化實驗方案，能夠方便、準確采集和處理實驗數據;2課時進行實驗并處理數據，尋找規律;1課時對實驗進行評估，查閱資料，確定實驗結果與理論是否相符;1課時匯報成果，形成一份完整的實驗報告。

2.教學實施環節

“傳感器”系列校本課程的教學過程主要依據S-3PBL-1科創教育模式[2]設計，主要采用基于問題的非線性“拋錨式”教學結構，具體課程教學模式如圖2所示。系列校本課程主要用到的信息技術設備有電腦和傳感器。教師要做到有效使用信息技術豐富教學途徑與形式，充分發揮信息技術的優勢即創新教學方式，提升教學的效果和效率。

（1）提出研究主題：傳感器

現在生產、生活等離不開傳感器，借助問題驅動教學：傳感器是什么？其工作原理是什么？有哪些種類？我們能識別和使用簡單的傳感器嗎？能否利用傳感器進行實驗研究？

（2）形成小團隊

學生兩人一組，根據高中教材中“傳感器”章節的學習，交流對傳感器的原理及應用的理解。共同查閱資料，研究傳感器的種類、功能及其應用，在1節課內交流，具體方式不限，如圖書館資料、高中物理課本，也可以上網查找或請教專家。

在中學物理教學中用到的傳感器種類很多，可以分為力電、熱電、聲電、磁電、光電等傳感器。在力學部分有位移、加速度、力、光電門、聲音等傳感器，熱學部分有溫度、壓強等傳感器，電磁學部分有電荷、電流、電壓、磁場、電場等傳感器，在光學、原子物理等部分也有一些傳感器。由于不同種類的傳感器中的主要部件不盡相同，所以采用的原理也各不一樣。將學生分組，分別查閱資料，了解各種傳感器的工作原理及其簡單應用。

例如，光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管;熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成。電容傳感器的工作原理是：電容C跟介電常數成正比，跟正對面積S成正比，跟極板間的距離d成反比。分別改變S、d，可制成測高度的電容傳感器、測角度的電容傳感器、測壓力的電容傳感器、測位移的電容傳感器等。

大多數家用電器都用到了傳感器，組織學生查閱有關材料，了解傳感器的應用。將學生分成幾組，分別負責查閱：電冰箱中的冷藏室傳感器和冰凍室傳感器（電子溫控設備），空調器中的傳感器（溫度傳感器），全自動洗衣機中的傳感器（負荷傳感器、水位傳感器、光電傳感器和壓力傳感器）。

（3）提出問題

本環節要求學生針對某一傳感器提出要研究的課題，進一步研究并利用傳感器完成探究實驗。學生提出的問題是多樣的，以其中一個課題為例：熱敏電阻的阻值怎樣隨溫度的變化而變化。

恒溫箱的原理簡圖如圖3所示，箱內有三個定值電阻R1、R2、R3。Rt為熱敏電阻，它的阻值隨溫度的變化而變化，由于熱敏電阻Rt的阻值變化可以引起a，b兩端電壓的變化，當a，b兩端電壓Uab<0時，傳感器會令開關K接通，恒溫箱內的電熱絲發熱，使箱內溫度提高;當電壓Uab>0時，傳感器會令開關K斷開，恒溫箱內的電熱絲停止加熱，使箱內溫度降低。這樣恒溫箱的溫度能控制在某個值。

學生了解恒溫箱的工作原理后，提出問題：熱敏電阻與溫度的定量關系是什么？

鼓勵學生小組討論，大膽提出假設。學生可能會提出很多的假設，最常見的三種假設為：R與T成反比，R與T2成反比，R與T成正比例函數，但斜率為負值等。

（4）微探究1

組內討論，明確任務。根據問題，選擇設計實驗驗證、理論論證（包括搜集材料），或同時采用理論論證和實驗論證的計劃。組織部分學生進一步查找并交流熱敏電阻的相關資料，包括如何制造熱敏電阻、熱敏電阻的特性、熱敏電阻的應用。培訓指導學生熟練使用計算機，會處理數據，比如數據擬合功能，以便學生快速找到數據的定量關系。購買學生分組實驗所需的熱敏電阻（每組一個）。準備實驗器材，包括傳感器（溫度傳感器、電流/電壓傳感器）、各種接口（如USB、PowerLink等）及其說明書，軟件已裝在電腦中。

（5）微設計

選擇合適器材，充分利用傳感器和計算機等信息技術工具，通過“頭腦風暴”優化實驗方案，方便、準確地采集和處理實驗數據，課后提交方案。

利用溫度傳感器測量熱敏電阻溫度：將熱敏電阻貼在溫度傳感器旁，一起放入冷水中，穩定后即可測出熱敏電阻的溫度t。分多次向盛有涼水的燒杯中倒入熱水，以逐步改變熱敏電阻的溫度。

使用電壓傳感器和電流傳感器測熱敏電阻阻值（幾十至幾百歐姆）：電壓傳感器的阻值較大，一般在1MΩ左右，電流傳感器內阻不超過10Ω，因此采用電流傳感器外接法，如圖4所示。

實驗方案不唯一，具有合理性即可，如測得電流、電壓的最大值是否超過電流、電壓傳感器的量程;這三個傳感器的分辨率是否符合要求;實驗操作過程設計是否合理;實驗原理是否完善、如何改進等。

（6）微探究2

進行分組實驗，組裝實驗儀器，采集不少于7組的數據;處理數據尋找規律;評估實驗：查閱資料，驗證結果與理論是否相符。根據datastudio數據表（或Excel、MATLAB中），求出各溫度下的電阻;尋找R-t的關系：畫出電阻-溫度曲線，選擇均方誤差最小的擬合方式，使曲線最平滑，驗證假設是否正確。如圖5，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而變小，但無法擬合出簡單的函數關系。

由于計算機能自動識別電壓、電流、溫度傳感器的數據并記錄，不存在讀數誤差，所以給實驗帶來很大方便。

可引導學有余力的學生畫出R-1/T、lnR-1000/T等曲線（其中T是熱力學溫度），并擬合得到函數式，找出R與t間的定量函數關系。

（7）微展示

小組合作完成研究報告：課題研究過程，總結經驗教訓;獲得的知識，能力的提高;任務安排的合理性;繼續研究的相關課題。

匯報課題研究情況，如收集到的重要信息，取得成果的經驗或失敗的教訓。集思廣益、取長補短。

（8）綜合評價

課程鼓勵學生開動腦筋，既發揮其獨立性，又培養小組合作精神。考慮探究的主要過程，根據學生自評、學生間的互評、教師評價、平時表現，對學生進行本系列校本課程的綜合學業評價，如表1所示。

3.教學總結

在內容選取上，使用傳感器，實驗讀數結果準確，重復性好;傳感器即插即用，實驗設計簡單，但需選用三個傳感器同時顯示并記錄數據，需要至少兩臺電腦，有些學校條件不足。如圖6，和傳統實驗方法相比，使用美國Pasport實驗系統的傳感器能大大降低實驗時間，學生有更多時間探索和創新。但學生需學會使用配套軟件，獨立探究的難度大，教師引導偏多。

學生普遍反映，在系列課程中均使用傳感器讀數，實驗結果更準確，重復性好;傳感器即插即用，實驗設計簡單。如使用美國Pasport實驗系統和傳統實驗方法相比有很多優點。傳感器基本接近理想器材，容易設計實驗方案，不需考慮一些實驗誤差，傳感器和計算機在幫助采集大量實驗數據的同時，立即處理實驗數據，并根據需要統計得出規律，大大減少了實驗時間，學生有更多的時間探索和創新。

在教學環節上，依據S-3PBL-1科創教育模式，讓學生小組合作，自主選題并參與科學探究，進行交流展示與綜合評價，能夠激發學生參與課堂的積極性，探究問題的主動性，幫助學生領略科學研究方法，發展探究能力，增強創造性思維和能力，培養探究未知世界的積極態度。

結束語

傳感器一般有配套軟件，可自動識別傳感，適時采集數據，自動繪圖，有函數擬合等強大功能，給教學帶來了很大便利。在“傳感器”系列校本課程實踐過程中，學生普遍反映，由于傳感器即插即用，不用人工讀數，實驗結果更準確，實驗設計簡單，有很多時間去探索和創新。由學生提出要研究的課題，能夠有效激勵其進行科學探究、交流展示。

探究學習、練習使用傳感器是未來人才的需求，傳感器與中小學科學教學的融合將進一步加深。課程建設是學校教育工作的核心內容，即使不把傳感器作為課程構建的主題，根據國家學科課程中的生長點構建科學校本課程時，依據S-3PBL科創教育模式把傳感器作為重要的實驗器材，也可減少實驗設置和準備時間、讀數和處理數據的時間，有助于創新人才培養，把更多時間留給學生在科學探究中尋找規律、解決問題，進行更充分的交流與合作。

參考文獻

羅世洪. 科創教育促進學生物理核心素養發展的策略[J]. 物理教學探討，2019，37（2）：68-70.

項華，曾子珉，劉靖怡. 計算物理教育的邏輯起點、途徑及未來圖景[J]. 中小學信息技術教育，2022（Z1）： 102-106.

作者單位：北京景山學校