融入STEAM理念的高中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施
——以“探尋光敏電阻的奧秘”為例

仲 坤 馬偉遠(yuǎn) 吳戴潔 陳 肯 李文文 黎靜雯

(1. 南京信息工程大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210044; 2. 南京信息工程大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210044; 3. 北流市實(shí)驗(yàn)中學(xué),廣西壯族自治區(qū) 玉林 537400)

傳感器在我們的日常生活中有很多應(yīng)用,例如,紅外溫度計(jì)、手機(jī)中內(nèi)置的指南針、夜晚室內(nèi)使用的小夜燈、公共場(chǎng)所的免接觸水龍頭等等,內(nèi)部都使用了各種類型的傳感器. 光敏傳感器具有原理清晰、使用方便等優(yōu)點(diǎn),被選入高中物理課程. 然而,由于實(shí)驗(yàn)條件限制或重視程度不夠等原因,很多學(xué)生并不能親自對(duì)光敏電阻的規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,更談不上進(jìn)行設(shè)計(jì)制作.人教版教材(選擇性必修2)所給出的光控開關(guān)電路,涉及到三極管飽和導(dǎo)通和截止關(guān)斷,學(xué)生普遍感覺有一定的難度.

STEAM教育強(qiáng)調(diào)知識(shí)跨界、情境多元、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),體現(xiàn)出綜合化、活動(dòng)化、實(shí)踐化的特征,又反映了教育回歸社會(huì)的訴求.[1,2]為促進(jìn)學(xué)生順利掌握傳感器的原理并能夠進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用,本文基于STEAM教學(xué)理念,以光敏電阻傳感器為核心教學(xué)內(nèi)容,設(shè)計(jì)了4個(gè)教學(xué)模塊,分別對(duì)應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)4個(gè)維度. 在實(shí)施教學(xué)的過程中,充分考慮跨學(xué)科的知識(shí)特點(diǎn)、思維方法和教學(xué)習(xí)慣,遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)生從多維度、多視角理解光敏電阻.

1 教學(xué)模塊設(shè)置

傳感器是選擇性必修2的內(nèi)容,要求知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義,了解傳感器的原理,能夠制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置,列舉傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用. 物理學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科聯(lián)系十分密切,將STEAM教育理念融入物理學(xué)科教學(xué),十分適宜且具有明顯的優(yōu)勢(shì).

主題教學(xué)活動(dòng)由“初步印象”“實(shí)驗(yàn)探究”“作品設(shè)計(jì)”“總結(jié)反思”4個(gè)模塊構(gòu)成. 這個(gè)4個(gè)模塊分別對(duì)應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)維度,即物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,體現(xiàn)了STEAM教育理念與課程標(biāo)準(zhǔn)的高度契合. 4個(gè)模塊的目標(biāo)及任務(wù)分別為:(1) 通過課前查詢資料、自主學(xué)習(xí)等方式了解光敏傳感器的基本知識(shí). 通過同學(xué)交流與教師指導(dǎo),深化對(duì)光敏電阻的認(rèn)識(shí)與理解. 將分散在眾多學(xué)科的知識(shí)系統(tǒng)化,將碎片化的知識(shí)逐漸升華形成物理觀念. (2) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置探究光強(qiáng)與光敏電阻的關(guān)系. 在驗(yàn)證物理規(guī)律的過程中,收集證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理、科學(xué)論證,對(duì)應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)思維. (3) 設(shè)計(jì)光敏電阻作品,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究、尋找解釋,對(duì)應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)探究要素. (4) 對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行反思,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流討論. 對(duì)知識(shí)進(jìn)行梳理,形成跨學(xué)科的知識(shí)聯(lián)絡(luò),促進(jìn)知識(shí)與能力的提升,增強(qiáng)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的使命感,對(duì)應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

2 課堂探究

以“探尋光敏電阻的奧秘”為主題,設(shè)置任務(wù)模塊驅(qū)動(dòng)自主學(xué)習(xí)與自主探究,實(shí)現(xiàn)物理到工程的跨學(xué)科知識(shí)建構(gòu). 教學(xué)過程符合循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律又兼顧學(xué)生的認(rèn)知能力. 在融入STEAM理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中,給學(xué)生提供了解決實(shí)際問題的鍛煉機(jī)會(huì). 充分發(fā)揮了自主學(xué)習(xí)、做中學(xué)等教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì),幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)構(gòu)建與遷移.[3]

2.1 初步印象

安排學(xué)生課前查閱資料,自主學(xué)習(xí)光敏電阻的基礎(chǔ)性知識(shí). 引導(dǎo)學(xué)生從電阻分類、材料成分、工作原理以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行查閱. 課堂上,組織學(xué)生分組匯報(bào). 學(xué)生在匯報(bào)交流的過程中,豐富了對(duì)光敏電阻的認(rèn)識(shí). 教師根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)情況,列出光敏電阻知識(shí)點(diǎn),制作了表1.

表1 光敏電阻的相關(guān)知識(shí)

教師對(duì)匯報(bào)進(jìn)行提問并點(diǎn)評(píng),在匯報(bào)討論的過程中,逐步得到材料成分是決定傳感器工作波長(zhǎng)的結(jié)論,而工作波長(zhǎng)則是應(yīng)用場(chǎng)景的前提條件. 此外,教師可以嘗試適當(dāng)闡述光敏電阻材料制備的過程、不同材料的帶隙以及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng). 經(jīng)過學(xué)生調(diào)研、小組匯報(bào)討論、教師點(diǎn)評(píng)等環(huán)節(jié),充分激發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索意識(shí).

2.2 實(shí)驗(yàn)探究

教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并提供器材,學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究光強(qiáng)與光敏電阻的關(guān)系(如圖1所示).實(shí)驗(yàn)使用白光LED燈作為光源,通過PWM可調(diào)電源連續(xù)改變LED光照強(qiáng)度.使用標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)計(jì)測(cè)量光照強(qiáng)度,使用萬用電表測(cè)量光敏電阻阻值.所需要的實(shí)驗(yàn)器材有:直流可調(diào)電源,白光LED光源、標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)計(jì)、萬用電表、光具座、光敏電阻、導(dǎo)線等.逐步改變光照強(qiáng)度,獲得光強(qiáng)與電阻的數(shù)據(jù),繪制關(guān)系曲線如圖2所示.可以看到隨著光強(qiáng)增大,電阻逐漸減小. 通過親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),學(xué)生獲得了切實(shí)的體驗(yàn),獲得了對(duì)光敏電阻物理規(guī)律的感性認(rèn)識(shí).

圖1 探究光強(qiáng)與光敏電阻阻值的關(guān)系

圖2 光強(qiáng)與光敏電阻阻值的關(guān)系

2.3 作品設(shè)計(jì)

在作品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生從物理原理出發(fā),結(jié)合通用技術(shù)知識(shí),設(shè)計(jì)作品實(shí)現(xiàn)光控LED燈照明. 教材給出的應(yīng)用電路使用了三極管元件,學(xué)生學(xué)習(xí)這個(gè)電路具有一定的難度. 繼電器的工作原理比較簡(jiǎn)單,學(xué)生容易理解和接受. 在作品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),使用電磁繼電器代替三極管實(shí)現(xiàn)光控照明. 設(shè)計(jì)作品的過程中,教師要注意降低設(shè)計(jì)的難度,對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的指導(dǎo). 給學(xué)生提供的器材有:5 V直流電源、電池、常規(guī)電阻、光敏電阻、繼電器、LED燈、杜邦線、面包板、螺絲刀等(如圖3所示).

圖3 光控照明電路

為了幫助學(xué)生更好地完成設(shè)計(jì),教師設(shè)計(jì)如下問題鏈進(jìn)行引導(dǎo):繼電器的輸入回路如何控制輸出回路?輸入回路的閉合與斷開由哪個(gè)引腳控制?觸發(fā)引腳如何獲得變化的電壓?在問題鏈的驅(qū)動(dòng)下,學(xué)生通過討論、分析以及實(shí)踐操作后,意識(shí)到繼電器由輸入、輸出回路構(gòu)成. 輸入回路導(dǎo)通,則引起輸出回路導(dǎo)通;輸入回路斷開,則輸出回路斷開. 輸入回路的導(dǎo)通與關(guān)斷,由觸發(fā)電壓經(jīng)過IN引腳控制. 進(jìn)入此環(huán)節(jié),就可以引導(dǎo)學(xué)生使用光敏電阻設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)變化的電壓. 學(xué)生經(jīng)過討論,可能會(huì)提出多種方案. 結(jié)合現(xiàn)有的器材,比較簡(jiǎn)單的方案是使用光敏電阻與普通電阻串聯(lián)接入5 V左右的直流電源. 當(dāng)外界光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí),光敏電阻的阻值以及電阻分壓隨之改變,從而觸發(fā)回路導(dǎo)通或斷開. 設(shè)計(jì)電路的過程中要注意提醒學(xué)生查閱元件參數(shù),如室內(nèi)光照條件下光敏電阻的阻值,繼電器觸發(fā)電壓的大小等,從而選擇合適阻值的電阻.

經(jīng)過反復(fù)嘗試,最終搭建了如圖3所示電路. 繼電器輸入回路的DC+引腳、DC-引腳分別接入電源正負(fù)極. 繼電器輸出回路的NO引腳接入LED燈的正極,LED燈負(fù)極接入直流電源負(fù)極. 繼電器輸出回路的COM引腳接電源負(fù)極. 光敏電阻及串聯(lián)的電阻接入直流電源的正負(fù)極,IN引腳從光敏電阻取電壓作為輸入回路的觸發(fā)電壓. 如圖3所示,光照充分情況下,光敏電阻分壓低于觸發(fā)電源,輸出回路斷開,LED燈熄滅;遮擋光敏電阻時(shí),LED指示燈被點(diǎn)亮,如圖3所示.

調(diào)試過程中,使用多用電表測(cè)試光敏電阻的電壓. 當(dāng)光照強(qiáng)度減小,光敏電阻兩端電壓增大到2 V,達(dá)到IN引腳的觸發(fā)電壓. 輸入回路線圈導(dǎo)通,銜鐵吸合,LED指示燈被點(diǎn)亮發(fā)光. 當(dāng)光照強(qiáng)度增大,光敏電阻兩端電壓逐漸降低,線圈回路斷開,銜鐵被彈簧拉回復(fù)位,輸出回路斷開,LED燈熄滅.

2.4 總結(jié)研討

在此教學(xué)環(huán)節(jié),教師引導(dǎo)學(xué)生梳理學(xué)習(xí)過程中所獲得的知識(shí)與體會(huì). 通過小組代表發(fā)言,師生提問交流. 學(xué)生認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體化合物是實(shí)現(xiàn)光敏電阻的物質(zhì)基礎(chǔ),而物理學(xué)則是解釋和研究光敏電阻特性的理論基礎(chǔ). 制作光敏電阻器件的過程中,綜合使用了諸如機(jī)械、電子封裝等領(lǐng)域的知識(shí). 點(diǎn)評(píng)作品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),教師可以提問學(xué)生,我們的作品經(jīng)過適當(dāng)?shù)母淖?還可以用到哪些場(chǎng)合. 學(xué)生想到可以使用小型直流電動(dòng)機(jī)代替LED燈,當(dāng)環(huán)境光線強(qiáng)弱變化時(shí),電機(jī)可以拖動(dòng)窗簾自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度. 有的學(xué)生認(rèn)為可以用到城市的路燈系統(tǒng),長(zhǎng)江或近海的航標(biāo)燈等等. 光敏電阻器件與電子信息技術(shù)等知識(shí)相結(jié)合,在消防、軍事、醫(yī)學(xué)、民用等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用. 在學(xué)習(xí)的過程中,學(xué)生認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)學(xué)科與工程技術(shù)相結(jié)合,改善了人民的生活質(zhì)量.由光敏電阻元件作為教學(xué)主題內(nèi)容,通過融入STEAM理念的跨學(xué)科教學(xué)方案的實(shí)施,形成多學(xué)科知識(shí)的立體聯(lián)絡(luò).有利于促進(jìn)學(xué)科融合、培養(yǎng)工程意識(shí),能夠幫助學(xué)生樹立報(bào)效祖國(guó)的遠(yuǎn)大志向.[4,5]

3 教學(xué)反思

“探尋光敏電阻的奧秘”是一次融入STEAM理念的跨學(xué)科教學(xué)嘗試,以光敏電阻為教學(xué)的核心元素,從多個(gè)學(xué)科視角進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索. 通過自主學(xué)習(xí)、探究實(shí)驗(yàn)、小組合作等多樣化的教學(xué)方式,有利于知識(shí)的構(gòu)建、有助于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).[6]當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,社會(huì)對(duì)人才的要求愈來愈高,融入STEAM理念的跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng),可以幫助學(xué)生適應(yīng)時(shí)代要求,為未來的發(fā)展奠定基礎(chǔ). 對(duì)教師而言,則需要更新教育理念,充分認(rèn)識(shí)到STEAM教育的價(jià)值,積極參與STEAM教育資源的開發(fā)與教學(xué)實(shí)施. 總之,融入STEAM 教育的跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng),是人類步入新時(shí)代的必然要求,也是新時(shí)代背景下物理教學(xué)的必由之路.