核心素養導向下的高中物理創新實驗設計

張景媛 潘丹丹 郭秋潔 鄭勤紅

摘? 要：針對高中物理選擇性必修2中“傳感器”這一章節的教學地位始終處于弱勢的教學現狀，將低成本且簡單開源的Arduino單片機引入傳感器教學，設計以提高學生物理核心素養為目標的Arduino傳感器實驗教學案例，貫徹落實課程標準中的內容要求和目標要求。將教學過程設計為情境導入、新課教學、學以致用、多方評價四個階段，教學內容和實驗項目適合于高中學生；教學過程中注重物理知識和實驗原理的介紹，通過該案例教學，學生運用物理知識分析解決實際問題的能力以及他們的物理核心素養均能得到提高。

關鍵詞：核心素養；實驗設計；傳感器；Arduino單片機；探究實驗

引言

中學物理教學提倡以物理核心素養為導向組織開展，物理學科核心素養的關鍵成分主要有物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面^{[ 1 -2]}。多個版本的高中物理教科書中均將“傳感器”編排為獨立章節，且近年來傳感器常作為高考命題內容；另外，在大學物理實驗課程中大量涉及傳感器的運用，因此，傳感器基礎知識正逐漸成為高中物理教學中的重要內容之一。同時，編程教育早已在世界各國陸續開展，有研究表明編程能夠顯著地促進學生知情意行多方面的發展，以推進學生個體的正向發展^{[ 3 ]}。目前Arduino作為一個低成本且簡單開源的編程平臺應用于機器人教育，其課程能有效促進學生間的交流協作且深受中學生的喜愛^{[ 4 ]}。本文將低成本且簡單開源的Arduino單片機引入高中物理傳感器教學中，在教師的逐步指導下展開傳感器的探究，將物理核心素養滲透在教學過程中。

1? 高中傳感器部分新課標要求及教學現狀

1.1? 傳感器章節的新課標要求

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》將“傳感器”這個主題設置在選擇性必修二模塊中。與2013年版課程標準對比，其主要的變化有：一是在“活動建議”中增加了“調查手機中的各種傳感器，了解它們的應用”；二是將原“活動建議”部分中“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”調整至“內容要求”中^{[ 5-6 ]}。此外，對比新舊人教版高中物理教科書，發現在其他物理知識的學習中增加了與傳感器的聯系。可見，新版課標及教科書對傳感器的教學要求均有所提升，同時也更加強調傳感器與現實生活的聯系，充分體現了物理課程的時代性。因此，對于傳感器章節的教學方式，教師需要不斷改進和創新，發展學生的核心素養。

1.2? 教學現狀

傳感器內容作為獨立章節，被編排在高中物理教科書的選擇性必修二中，學生通過對傳感器的深入學習，可以真正體驗到物理走向生活。但是在實際教學過程中，由于諸方面的原因，“傳感器”內容的教學始終處于弱勢地位，部分教師對于該內容僅單純講授知識或觀看相關實驗視頻，部分教師認為傳感器技術僅是對原有傳統實驗進行改進^{[ 7 ]}。隨著高新技術的飛速發展，為體現課程的時代性和創新性，傳感器章節的教學應不斷創新，努力將現代科技成果作為媒介引入物理課堂，提高教育教學質量。

2? 以物理核心素養為導向的傳感器實驗教學設計

物理核心素養的培養必須將其深植在物理教學過程中，其各要素之間是相互作用的，物理觀念強調運用物理知識和方法解釋自然現象，解決實際問題^{[ 8 ]}。學生在建構物理觀念的同時，不斷形成綜合分析等科學思維，在經歷實驗設計、動手操作后樹立科學態度與責任意識。

教材中傳感器內容側重于物理原理在傳感技術中的應用，因而傳感器教學的關鍵是多做實驗。在教學過程中，教師需要注重引導學生對所研究的問題從物理學的視角分析，思考物理量及其相互作用規律，運用物理知識和方法進行實驗測量，分析實驗結果，并得出實驗結論。

將Arduino引入傳感器教學，以培養學生物理核心素養為目的，其教學目標見表1，具體的教學環節，主要包括四個階段：情境導入、新課教學、學以致用、多方評價。

2.1? 情境導入，設置懸念

演示1：霍爾磁力傳感器控制燈的亮滅。

演示：呈現自制教具，演示將磁鐵靠近探頭時，LED燈點亮，磁鐵移走時，LED燈熄滅。如圖1。

設問：如此體積小的“探頭”到底是什么？整個電路又是如何實現控制？

設計意圖：通過新奇的演示實驗，創設有趣的物理情境，讓學生在觀察的同時激發他們的學習動機，設置懸念，抓住學生的眼球，讓他們帶著好奇進入新課學習，產生主動建構知識的興趣。

2.2 新課教學，意義建構

2.2.1引導思考，總結定義

演示2：超聲波傳感器測距。

演示：展示自制教具，接著在“探頭”的水平前方放置了一本書作為障礙物，實驗數據通過計算機呈現在大屏幕上，并且隨著“書”的前后移動，數據也在實時發生改變。如圖2。

設問：兩次演示實驗中分別是哪些物理量發生了變化？（演示1：磁場，演示2：位移）。

引導思考：通過兩個演示實驗，并結合生活中的聲控燈、酒精檢測儀等裝置，都有哪些共同特點呢？

共同總結：霍爾磁力傳感器：磁場電路的通斷；超聲波傳感器：位移電壓；聲控燈：聲音電壓；酒精檢測儀：化學成分電壓。傳感器是將非電學量轉換為電學量或電路通斷的一種裝置或器件。它是人類感官的代替和延伸。

設計意圖：通過直觀的演示，并注重引導學生聯系生活實際，通過結合多個實例從物理學的角度思考傳感器的內在規律，通過分析綜合、科學推理等方法總結出傳感器的定義，培養學生的科學思維。

2.2.2 實驗探究，理解原理

探究：光敏電阻的特性

利用多媒體播放光控路燈的視頻。學生解釋：光敏電阻將光照強度轉換為電阻（電學量）。

提問：光敏電阻和光照強度之間的關系如何呢？

猜想：光敏電阻的阻值會隨著光照強度增大而減小。

制定計劃與設計實驗：學生討論：使用控制變量法進行實驗。

交流與合作：教師發放實驗器材，光敏電阻、光源、多用電表。學生進行小組分工合作完成。

實驗步驟：①將光敏電阻接到萬用電表兩端；②光敏電阻依次置于黑暗、室光、較強光、強光的光照環境下實驗，并記錄對應阻值，如表2。

教師引導改進實驗方案。

設問：同學們分組人工測量出數據，那怎樣改進實驗使得測量更快更精確呢？

學生討論：使用萬用表具有數據可視性差、實驗不高效的問題，那類比生活中的體溫槍，是不是可以利用傳感器原理進行電子裝置小制作，代替人工完成數據的測量、處理和顯示？

活動：發放光敏電阻傳感器KY-018，帶領學生觀察其外觀結構，如圖3，由光敏電阻、定值電阻以及標識為“+”“-”“S”的三支引腳組成。

設問：這些電子元件之間是如何連接的呢？

學生分析：光敏電阻和10 kΩ定值電阻是串聯，可以根據分壓方法來測量光敏電阻兩端的電壓值，計算出電阻值，并畫出電路連接圖如圖4。但疑惑引腳S的作用。

教師解釋：該傳感器的工作電壓是4.5～24 V，引腳S就是它的特別之處。隨著科學技術的發展，出現了稱為單片機的裝置，它能夠采集并處理電信號。現在教師選用簡單開源的Arduino單片機來采集引腳S的電壓值，即電路中光敏電阻兩端的電壓值。

借助多媒體播放Arduino相關視頻，配合講解Arduino硬件和軟件情況以及基本使用方法。從傳感器入手，從信號轉換的角度簡要講解實驗所用程序代碼編寫的方法和過程。并向學生提供該Arduino開源平臺的相關資料網站，供學有余力的學生進一步學習。

學生繼續完善實驗電路的設計，如圖5。

指導下進行實驗：

實驗器材：光敏電阻傳感器KY-018、Arduino開發板（帶數據線）、杜邦線、裝有Arduino IDE軟件的電腦。

實驗步驟：①連接電路，如圖6，Arduino板子連接電腦，并通過電腦將程序導入到Arduino。②運行程序，將傳感器依次置于不同光照環境下展開探究。③打開IDE自帶的串口監視器及串口繪圖器以查看實驗結果，結果如圖7。

分析與論證：學生交流后分享：光敏電阻的阻值會隨著光照強度增大而減小。光敏電阻將光照強度（光學量）轉換為電阻（電學量）。將光敏電阻傳感器接入控制電路中，電信號經電路調整處理能更方便測量、讀取。光敏電阻的應用實例：光控路燈、光電門等。

設計意圖：讓學生結合已學習過的電學知識對傳感器工作原理進行系統地有意義建構，整個探究實驗在教師的引導下逐步推進，并基于科技快速發展的時代背景，引入低成本且簡單開源Arduiono平臺，突破傳統實驗方案，體現課程的時代性與教學的與時俱進，使學生體會到非電學量轉化為電學量的技術意義。

2.3? 學以致用，鞏固提高

各小組學生課后分工合作完成實作任務。

設計方案1：基于光敏電阻特性的探究，完成光敏報警器或光控路燈的制作。（設計要求：有光照時，警報響或小燈亮。）

設計方案2 ：類比光敏電阻特性的探究，分組探究熱敏電阻的特性，并完成溫控報警器的制作。（設計要求：得出熱敏電阻特性圖，且溫度過高，警報響。）

設計意圖：需要學生經歷對裝置進行功能分析，確定電路控制邏輯，設計并制作實驗電路等過程，能運用所學解決實際問題，這是培養學生實驗意識和創新能力的良好契機，能有效促進核心素養的落實。

2.4? 多方評價，教學相長

教師需對學生在整個探究實驗過程中的行為操作以物理核心素養為指標進行過程性評價，同時，還可引導學生聯系生產生活實際，通過科學的人文價值進行思想教育。此外，學生的實作任務可以采用自評和他評結合的方式，在反思自己學習過程的同時也能促進學生間的相互學習。教師進一步可通過簡單的問卷調查了解學生對該知識點的掌握情況，其調查問卷見表3。

設計意圖：多方評價使師生之間、生生之間形成多重反饋，有效促進教學相長，理論聯系實際，從物理回歸生活。

3 總結與展望

將Arduino平臺和數字化傳感器結合，可實現以物理核心素養四要素整合為目標的實驗教學案例設計。案例將傳感器技術和編程教育等進行有效融合，展現了當代高中物理課程鮮明的時代性和創新性，有助于激發教師的教學熱情和學生的學習興趣，對改善當下“傳感器”部分在高中物理教學中的弱勢教學現狀能起到一定的促進作用。另外，依據高中學生的認知水平，在高中物理教學中融入簡單易學的基礎編程，讓學生體會到科技創新推動社會進步的力量，也真正為學有余力的學生留出創新的窗口。利用Arduino平臺還可以搭建出若干傳感器模型實例，期望對傳感器類實驗具有一定的參考作用。

參考文獻：

［1］ 陳琪睿，慕曉艷，楊曉梅. 以物理核心素養為導向的溫度傳感器實驗教學案例設計[J]. 物理教師，2018，39（8）：44-46.

［2］ 王想敏. 核心素養導向下的初中物理創新實驗教學設計：以“大氣壓強”實驗教學為例[J].物理教學，2022（2）：38-40.

［3］ 孫立會，胡琳琳. 編程真的能促進兒童的個體發展嗎？：基于28項實驗和準實驗研究的元分析[J]. 華東師范大學學報（教育科學版），2021，39（11）：45-58.

［4］ 金書輝，鄭燕林，張曉. 高中Arduino機器人課程學習現狀調查與分析[J]. 中國電化教育，2017（12）：115-120.

［5］ 張圣羽. 基于Arduino的高中物理傳感器實驗教學研究[J]. 實驗室科學，2020，23（2）：129-133.

［6］ 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京：人民教育出版社， 2020：30.

［7］ 曹文杰. 高中物理教材傳感器內容的教學研究[D].蘇州：蘇州大學， 2011：49-53.

［8］ 高淵，方愷，樂永康，等.基于單片機開展探究式實驗教學以提高中學生物理核心素養[J].物理與工程，2018（Z1）：177-182，186.

教育部2015年教師隊伍建設示范項目：4+2卓越中學教師培養模式（06-156-PY）研究成果

*通訊作者