丁 紅 周新雅

(江西師范大學(xué),江西 南昌 330022)

“核心素養(yǎng)”是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中,逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展的必備品格,也是隨著社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力,還是關(guān)于學(xué)生知識(shí)、技能、情感、態(tài)度與價(jià)值觀等多方面要求的結(jié)合體,[1]包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)要素．[2]“核心素養(yǎng)”的目標(biāo)是針對(duì)每個(gè)學(xué)生的終身,而不僅僅是一節(jié)課,或一學(xué)年,或?qū)W校階段,然而學(xué)校教育無疑起著舉足輕重的作用．千里之行,始于足下,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)“核心素養(yǎng)”目標(biāo),就要設(shè)計(jì)好每一節(jié)課,每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),甚至每一句話中的每一個(gè)詞．

教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)理論與教學(xué)實(shí)踐的橋梁,是教學(xué)理論轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．如何避免教學(xué)設(shè)計(jì)徒有其形,卻無其實(shí)呢?知己知彼,百戰(zhàn)百勝．三維目標(biāo)是“核心素養(yǎng)”的具體化,分析教材與分析學(xué)情能夠幫助教師明白本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo),避免三維目標(biāo)虛化,明確教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn),從而思考采用什么樣的教法與學(xué)法,突出重點(diǎn),突破難點(diǎn)．什么樣的教學(xué)流程能夠循循善誘,由淺入深的引導(dǎo)學(xué)生．因此,藉以“傳感器及其工作原理”設(shè)計(jì)詮釋如下．

1 教材分析

“傳感器及其工作原理”位于人教版高中物理選修3-2第6章第1節(jié),本節(jié)課介紹什么是傳感器,以及一些制造傳感器所使用的常見敏感元件,例如光敏電阻、熱敏電阻及金屬熱電阻等．幫助學(xué)生對(duì)傳感器的知識(shí)有一個(gè)初步的了解.本節(jié)內(nèi)容是應(yīng)用型課,將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐．可以讓學(xué)生體會(huì)物理知識(shí)給生活帶來的巨大作用,進(jìn)而從思想上啟發(fā)學(xué)生,從能力上培養(yǎng)學(xué)生．同時(shí)為傳感器的應(yīng)用和利用傳感器制作簡單的自控裝置作鋪墊．

2 學(xué)情分析

從心理特點(diǎn)、知識(shí)儲(chǔ)備與認(rèn)知困難方面分析．

(1) 心理特點(diǎn):本節(jié)內(nèi)容面對(duì)的是高中二年級(jí)學(xué)生,思維活躍、喜歡觀察和思考,具有強(qiáng)烈的探究世界的動(dòng)機(jī)．尤其在海量習(xí)題的練習(xí)中,充滿新奇的物理實(shí)驗(yàn)、大型教具的應(yīng)用型課仿佛沙漠里的綠洲,讓學(xué)生興奮不已．

(2) 知識(shí)儲(chǔ)備:正所謂每一個(gè)今天的學(xué)習(xí),都是明天的知識(shí)基礎(chǔ)．學(xué)生在初中階段與選修3-1中已經(jīng)學(xué)習(xí)電、磁方面的知識(shí),知道金屬電阻大小隨溫度升高而增大的特性,以及在前期學(xué)習(xí)中掌握了一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與方法．

(3) 認(rèn)知困難:學(xué)生雖然掌握了一些與傳感器相關(guān)的知識(shí),以及使用過一些含有傳感器的電器,但對(duì)傳感器的了解仍然較少,并且最怕深?yuàn)W的理論．所以,教學(xué)時(shí)應(yīng)避免深?yuàn)W的理論,多舉些例子并且多做實(shí)驗(yàn),盡可能讓學(xué)生參與其中,讓學(xué)生感受傳感器的巨大作用,消除傳感器的神秘感．

3 教學(xué)目標(biāo)

基于教材分析,學(xué)情分析,并結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定如下三維目標(biāo)．[3]

(1) 知識(shí)與技能目標(biāo):了解什么是傳感器,知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義;通過實(shí)驗(yàn),知道常見傳感器的類型及工作原理;初步探究利用和設(shè)計(jì)簡單的傳感器．

(2) 過程與方法目標(biāo):通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究,讓學(xué)生了解傳感器、熟悉傳感器工作原理;讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)簡單的傳感器,經(jīng)歷科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力．

(3) 情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo):在理解傳感器工作原理的基礎(chǔ)上,通過自己設(shè)計(jì)簡單的傳感器,體驗(yàn)科技創(chuàng)新的樂趣,激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣．

4 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

參考課程標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合教材分析與學(xué)情分析,本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)與難點(diǎn)如下．

(1) 重點(diǎn):通過實(shí)驗(yàn)觀察與分析常見傳感器的特性及工作原理,知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的技術(shù)意義．

(2) 難點(diǎn):通過實(shí)驗(yàn)探究常見傳感器的敏感元件的工作特性,以及學(xué)生自主設(shè)計(jì)簡單的傳感器．

5 教法與學(xué)法

以教材分析與學(xué)情分析為依據(jù),三維目標(biāo)為方向,采用以下教法與學(xué)法突出重點(diǎn)、攻克難點(diǎn)．

5.1 教法

啟發(fā)式教學(xué)法:早在古希臘時(shí)蘇格拉底的“產(chǎn)婆術(shù)”,以及我國古代教育家孔子主張的“不憤不啟,不悱不發(fā)”,都是啟發(fā)式教學(xué)方法．此法經(jīng)過兩千年而不衰,其價(jià)值不言而喻．啟發(fā)式教學(xué)法細(xì)化又可分為情景啟發(fā),提問啟發(fā),激疑啟發(fā),比喻啟發(fā)等等．創(chuàng)設(shè)情境,用幾個(gè)有趣的傳感器實(shí)驗(yàn)引入課題,引起認(rèn)知沖突,產(chǎn)生疑問,激發(fā)好奇心,抓住學(xué)生的眼球．以提問的方式激發(fā)學(xué)生思考,從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中歸納,凝練出光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻等的工作原理．將常見傳感器與人類五大感覺器官類比,消除傳感器的神秘感．

實(shí)驗(yàn)演示法:在初中教材中,實(shí)驗(yàn)演示是眾多欄目中的一員,教師通過實(shí)驗(yàn)展示物理現(xiàn)象,學(xué)生觀察思考、歸納總結(jié)物理規(guī)律,例如人教版初中物理教材．由此可見,實(shí)驗(yàn)演示法的價(jià)值不可輕視．

探究式教學(xué)法:通過提問啟發(fā)探究,實(shí)施探究,反思探究,在問題解決的探究活動(dòng)中挖掘物理現(xiàn)象背后隱藏的物理規(guī)律,進(jìn)而發(fā)展學(xué)生思維,實(shí)現(xiàn)物理觀念建構(gòu)的教學(xué)目標(biāo)．

5.2 學(xué)法

觀察分析法:學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,獲得感性認(rèn)識(shí),進(jìn)而分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象隱藏的規(guī)律,上升至理性認(rèn)識(shí)．

思考討論法:開動(dòng)腦筋,思考問題,同學(xué)之間表達(dá)各自看法,在思想的碰撞中得到啟發(fā)．

合作交流法:培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)互助,溝通合作與耐心傾聽的精神．

6 教學(xué)流程

本節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)思想遵循從現(xiàn)象中挖掘規(guī)律,由淺層學(xué)習(xí)上升到深度學(xué)習(xí),即不僅獲得知識(shí),還要得到智慧的升華，教學(xué)設(shè)計(jì)思想圖如圖1所示．

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)思想圖

教學(xué)流程主要分為4個(gè)環(huán)節(jié)，教學(xué)過程流程圖如圖2所示.

圖2 教學(xué)過程流程圖

(1) 創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課.

楊振寧曾言:“物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的,絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的,現(xiàn)象是物理學(xué)的根源．”[4]因此,本節(jié)課圍繞視覺現(xiàn)象展開,以新奇的物理實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入,抓住學(xué)生的眼球．

(2) 實(shí)驗(yàn)探究、新課教學(xué).

以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為基礎(chǔ),不斷提問啟發(fā)學(xué)生思考,實(shí)驗(yàn)探究物理規(guī)律,建構(gòu)物理觀念．讓學(xué)生領(lǐng)悟物理學(xué)具有重要的精神價(jià)值,就是對(duì)未知世界永無止境的探索．

(3) 學(xué)以致用、鞏固提高.

利用本節(jié)課所學(xué)知識(shí),設(shè)計(jì)傳感器的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維．

(4) 作業(yè)布置、自我檢測.

調(diào)查生活中哪些電器中應(yīng)用了傳感器,加強(qiáng)課堂與生活的聯(lián)系,在領(lǐng)悟科學(xué)實(shí)質(zhì),理解科學(xué)、社會(huì)、技術(shù)與環(huán)境之間關(guān)系的基礎(chǔ)上形成對(duì)技術(shù)、科學(xué)的正確態(tài)度與責(zé)任感,即達(dá)到科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的教學(xué)目標(biāo)．

6.1 創(chuàng)設(shè)情境,導(dǎo)入新課

演示實(shí)驗(yàn)1:干簧管控制電路的通斷(圖3).

設(shè)問:要將教室的燈泡點(diǎn)亮需要一個(gè)什么關(guān)鍵步驟?引起學(xué)生對(duì)開關(guān)的關(guān)注,接著呈現(xiàn)一個(gè)無線燈泡,演示當(dāng)條形磁鐵靠近時(shí),燈泡發(fā)光,磁鐵移走,燈泡熄滅,引起學(xué)生認(rèn)知沖突,激發(fā)好奇心．

圖3 干簧管控制電路的通斷

圖4 水杯遇水發(fā)光

演示實(shí)驗(yàn)2:倒水變五彩的水杯(圖4).

拿出一個(gè)透明水杯,往杯中倒水,杯子立刻發(fā)出彩光,給學(xué)生視覺的震撼.

6.2 實(shí)驗(yàn)探究,新課教學(xué)

(1)打開燈泡,展示燈泡內(nèi)的電路圖,了解元件“干簧管”的結(jié)構(gòu)(圖5)．

圖5 干簧管結(jié)構(gòu)

圖6 干簧管原理圖

探明原因:如圖6所示，玻璃管內(nèi)封入兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片,并裝有高純度的惰性氣體．在尚未操作的情況下,兩簧片并沒有接觸．但是,當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí),外加的磁場使兩個(gè)簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性,不同極性的簧片相互吸引,電路導(dǎo)通．所以,干簧管能起到開關(guān)的作用．師點(diǎn)撥:這個(gè)裝置反過來還可以通過燈泡的發(fā)光情況,感知干簧管周圍是否存在著磁場．

(2) 演示干簧管代替開關(guān),控制電路通斷的大型器材,如圖7．

圖7 干簧管代替開關(guān)

(3) 新課教學(xué).

① 傳感器定義:能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷．我們把這種元件叫做傳感器．

③ 列出常見傳感器類型并將傳感器的功能與人類5大器官相比擬:

光敏傳感器——視覺;

聲敏傳感器——聽覺;

氣敏傳感器——嗅覺;

化學(xué)傳感器——味覺;

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺.

圖8 水杯結(jié)構(gòu)

④ 揭秘.

水杯的底部有一個(gè)紐扣電池,還有5個(gè)LED燈,當(dāng)向杯中裝水時(shí),電路就被接通,LED燈發(fā)光,如圖8．

⑤ 聯(lián)系生活.

請(qǐng)大家相互說說看,你家里,或者在你的生活當(dāng)中,都使用過,或聽說過什么樣的電器中有傳感器?如圖9．

圖9 傳感器應(yīng)用

⑥ 光電傳感器.

自制光電傳感器教具,將光敏電阻串聯(lián)在電路中,如圖10．

圖10 光敏電阻演示

圖11 光敏光阻

師生總結(jié):光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)．

介紹光敏電阻,如圖11．并用動(dòng)畫配合講解光敏電阻工作原理:光敏電阻表面涂有硫化鎘,硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料,無光照時(shí),載流子極少,導(dǎo)電性能不好;隨著光照的增強(qiáng),載流子增多,導(dǎo)電性變好,如圖12．

圖12 光敏電阻工作原理

科學(xué)漫步:學(xué)生自學(xué)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,知道什么是載流子,如圖13．

圖13 半導(dǎo)體導(dǎo)電

⑦ 金屬熱電阻與熱敏電阻.

給溫控關(guān)加熱,蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲,如圖14．

圖14 溫控關(guān)加熱

師生總結(jié):溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)．

引導(dǎo)學(xué)生回憶:金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎?關(guān)系如何?

師生總結(jié):用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為金屬熱電阻．如前面已經(jīng)學(xué)過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計(jì)．

圖15 電阻溫度特性圖

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電阻溫度特性圖線(圖15),分析總結(jié)熱敏電阻隨溫度的升高,導(dǎo)電性能增強(qiáng)．

合作探究1:比較光敏電阻在不同光照條件下的電阻值不同.

學(xué)生兩人一組,用多用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值,實(shí)驗(yàn)分別在室內(nèi)自然光的照射下和用手掌遮光時(shí)進(jìn)行．

合作探究2:熱敏電阻隨溫度的升高電阻減小.

學(xué)生兩人一組,用多用電表的歐姆擋測一只熱敏電阻的阻值．第一次直接測量,第二次用手心捂住熱敏電阻再測量,記錄兩次測得的電阻值．

⑧ 霍爾元件.

圖16 霍爾元件

師講解:霍爾元件是在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上,制作4個(gè)電極E、F、M、N而成,如圖16．

圖17 霍爾元件 工作原理圖

師生共析:一個(gè)霍爾元件的厚度d、霍爾系數(shù)k為定值,若保持I恒定,則UH的變化就與B成正比．即霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量．因此,我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場中,通過測定霍爾電壓UH的變化得知該磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化．

圖18 電容式位移傳感器

⑨ 電容式位移傳感器.

6.3 學(xué)以致用、鞏固提高

設(shè)計(jì)方案1:音樂盒(設(shè)計(jì)要求:蓋子打開音樂響起,蓋子合上,音樂停止).

設(shè)計(jì)方案2:火警報(bào)警器(設(shè)計(jì)要求:溫度過高,發(fā)生警報(bào)).

學(xué)生分組討論:① 需要什么器材?② 提出設(shè)計(jì)方案;③ 學(xué)生分兩組實(shí)施組裝;④ 討論并提出改進(jìn)意見;⑤ 還可以用于生活中的哪些方面?

6.4 布置作業(yè)、自我檢測

完成《問題與練習(xí)》,調(diào)查生活中哪些電器中應(yīng)用了傳感器,將工作原理寫成文字稿．

7 評(píng)價(jià)

本節(jié)教學(xué)過程緊緊圍繞“核心素養(yǎng)”的4個(gè)要素,以物理現(xiàn)象引發(fā)思考,激發(fā)興趣．通過實(shí)驗(yàn)探究層層剝開現(xiàn)象背后隱藏著的規(guī)律,建構(gòu)物理觀念,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未知世界永無止境的探索精神．引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用,自主設(shè)計(jì)傳感器應(yīng)用器材,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維．聯(lián)系生產(chǎn)、生活應(yīng)用,從生活走向物理,從物理走向生活,注重科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)．4個(gè)要素囊括不同方面的發(fā)展,缺一不可,不可偏廢．“核心素養(yǎng)”針對(duì)的是個(gè)人終生發(fā)展,三維目標(biāo)是“核心素養(yǎng)”的具體化,要登上山頂,需走穩(wěn)腳下的每一步伐,明確每堂課的三維目標(biāo),設(shè)計(jì)好每一堂課的教學(xué),堅(jiān)持不懈,量變累積終可達(dá)到質(zhì)變升華．