楊斯杰 高永偉 南亞亞 何婧

摘? ?要：為了探索高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展模式，文章將6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式與現(xiàn)行高中物理課程結(jié)合起來(lái)，并以高中物理教材中的“光控開關(guān)”為例，設(shè)置真實(shí)的技術(shù)及工程問(wèn)題——“制作光控路燈”。這種教學(xué)模式促使學(xué)生經(jīng)歷參與、探索、解釋、工程、深化和評(píng)價(jià)過(guò)程，可以提高他們的問(wèn)題解決能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力，有利于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展和STEM理念在教學(xué)中的有效融合。

關(guān)鍵詞：6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式;光控路燈;太陽(yáng)能;傳感器;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）12-0060-4

2014年，美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)提出落實(shí)STEM教育的活動(dòng)模式——6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，該模式主要包括參與（engage）、探索（explore）、解釋（explain）、工程（engineer）、深化（enrich）和評(píng)價(jià)（evaluate）[1]。6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式在5E教學(xué)模式的基礎(chǔ)上加入了“工程”的概念，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐在學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要性，突出學(xué)生在物理情境中動(dòng)手操作的主動(dòng)性與積極性。2019年人教版高中物理教材將傳感器內(nèi)容放在電磁感應(yīng)、交流電流與電磁振蕩和電磁波之后，學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)知識(shí)之后，認(rèn)識(shí)到傳感器在社會(huì)生活中的應(yīng)用，將知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單光控路燈模型，充分體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)在教學(xué)中的結(jié)合。

1? ? 教學(xué)目標(biāo)

在知識(shí)層面上，以物理學(xué)科的“光控開關(guān)”為主體知識(shí)，加入“太陽(yáng)能”相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用。通過(guò)光敏電阻工作原理促進(jìn)學(xué)生對(duì)傳感器的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生了解太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的基本知識(shí)，并利用二極管及三極管的原理設(shè)計(jì)、制作模型，從而強(qiáng)化知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系。

在技術(shù)層面上，首先設(shè)計(jì)利用光敏電阻控制路燈發(fā)光的模型，根據(jù)二極管和三極管基本原理完成設(shè)計(jì)，并通過(guò)小組合作的形式完成系統(tǒng)制作;然后根據(jù)太陽(yáng)能發(fā)電的基本知識(shí)設(shè)計(jì)用太陽(yáng)能板控制路燈發(fā)光的模型，小組合作完成設(shè)計(jì)與制作;最后根據(jù)制作成果分析技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)。

在工程層面上，學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決在實(shí)驗(yàn)制作過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，掌握各類電子元器件的基本原理，并能夠根據(jù)實(shí)際情況將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際操作中，加深對(duì)知識(shí)的理解。

在數(shù)學(xué)層面上，主要是設(shè)計(jì)并畫出電路圖，根據(jù)電路選擇符合規(guī)格的實(shí)驗(yàn)器材，通過(guò)器材的規(guī)格型號(hào)判斷實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題并解決。實(shí)驗(yàn)中，數(shù)學(xué)更多的是作為一種分析工具，學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)的應(yīng)用來(lái)提高數(shù)學(xué)思維以及數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。

2? ? 教學(xué)過(guò)程

2.1? ? 參與（engage）——?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境，激發(fā)好奇

參與階段的目的在于通過(guò)課程導(dǎo)入激發(fā)學(xué)生的探究興趣，創(chuàng)設(shè)以學(xué)生生活中已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)、聯(lián)系生活實(shí)際的物理情境，引發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生將認(rèn)知中已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與問(wèn)題情境聯(lián)系起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的好奇心，明確接下來(lái)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

【情境導(dǎo)入】 講述路燈的發(fā)展史，結(jié)合我國(guó)科技發(fā)展，聯(lián)系生活實(shí)例，展示路燈圖片。引導(dǎo)學(xué)生回憶思考生活中所看到的路燈是何時(shí)發(fā)光的，是什么控制發(fā)光的。提出問(wèn)題：路燈是如何做到天暗沉后自動(dòng)發(fā)光？學(xué)生在之前已經(jīng)學(xué)過(guò)傳感器及能量轉(zhuǎn)換的相關(guān)知識(shí)，聯(lián)系已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)思考問(wèn)題，在頭腦中明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.2? ? 探索（explore）——科學(xué)知識(shí)，探究設(shè)計(jì)

探索階段主要以學(xué)生為主體，教師起引導(dǎo)作用。即教師通過(guò)引導(dǎo)幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)、掌握方法技巧，給學(xué)生提供親身體驗(yàn)的機(jī)會(huì)與條件，使學(xué)生積極主動(dòng)地投入到探究活動(dòng)中。學(xué)習(xí)路燈模型制作的相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)小組合作概括知識(shí)、設(shè)計(jì)模型。

【知識(shí)回顧】引導(dǎo)學(xué)生回顧光敏電阻及太陽(yáng)能的相關(guān)知識(shí)，并對(duì)光敏電阻的特性進(jìn)行探索。準(zhǔn)備一個(gè)光敏電阻，一個(gè)多用電表，測(cè)量觀察在室內(nèi)、遮光和陽(yáng)光直射三種情形下電阻的大小，結(jié)果如圖1所示。由測(cè)量結(jié)果可得，隨著光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值會(huì)不斷減小，進(jìn)而通過(guò)電阻元件的電流會(huì)相應(yīng)增大。

【查閱資料】 給學(xué)生提供相關(guān)資料，學(xué)生通過(guò)查閱資料獲得關(guān)于發(fā)光二極管、三極管及光控路燈的相關(guān)知識(shí)。

發(fā)光二極管是一種電-光轉(zhuǎn)換器件，能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，在電路中必須正接才能工作。同時(shí)，電流越大，光信號(hào)越強(qiáng)。三極管是一種具有放大功能的半導(dǎo)體器件，其三個(gè)電極分別稱為集電極（用c表示）、基極（用b表示）和發(fā)射極（用e表示）[2]。單獨(dú)一個(gè)三極管無(wú)法正常工作，在電路中需要為三極管各極提供電壓，讓它內(nèi)部產(chǎn)生電流時(shí)才具有放大作用。三極管的類型與狀態(tài)分別如表1、表2所示。

光控路燈的開關(guān)由光照強(qiáng)度控制，光照較強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)熄滅，光照較暗時(shí)，自動(dòng)開啟。利用光照強(qiáng)度的傳感器中最常見(jiàn)的為光敏電阻，但其工作電流很微弱，不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。因此，需要配置一定的放大電路實(shí)現(xiàn)控制功能，就需要三極管配合實(shí)現(xiàn)電流放大。

【探究設(shè)計(jì)】 根據(jù)回顧及查閱相關(guān)的基本知識(shí)，先觀察分析所給的實(shí)驗(yàn)器材（導(dǎo)線若干，面包板，電池，三極管Q，發(fā)光二極管LED，色環(huán)電阻R，光敏電阻RL，開關(guān)S），然后選擇合適的器材，再利用已掌握的知識(shí)，討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。最后，畫出電路圖（圖2）。

2.3? ? 解釋（explain）——展示交流，知識(shí)總結(jié)

解釋階段中，教師組織學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)掌握的概念和原理解釋設(shè)計(jì)方案，分享自己的設(shè)計(jì)方案與存在的問(wèn)題。討論交流后，教師糾正學(xué)生的錯(cuò)誤，幫助學(xué)生逐步完善設(shè)計(jì)方案。

【展示交流】 學(xué)生分享本小組的設(shè)計(jì)方案，展示設(shè)計(jì)電路圖并解釋設(shè)計(jì)原理，提出設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。交流設(shè)計(jì)思想，學(xué)習(xí)別人設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)，解決自己存在的問(wèn)題。

【知識(shí)總結(jié)】 在實(shí)際過(guò)程中，學(xué)生往往粗略地進(jìn)行一些設(shè)計(jì)，忽略了實(shí)驗(yàn)是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程。教師可根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，幫助他們總結(jié)制作過(guò)程的注意事項(xiàng)：

（1）在接發(fā)光二極管時(shí)注意二極管方向，二極管長(zhǎng)的一邊為正，短的一邊為負(fù)。

（2）色環(huán)電阻讀數(shù)，除金、銀分別代表5%和10%的誤差外，其他顏色代表不同的數(shù)字，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示，色環(huán)電阻讀數(shù)方式如圖3所示。

（3）連接時(shí)注意分清三極管方向。利用多用電表判斷三極管的三個(gè)極性（圖4）。將多用電表調(diào)至電阻擋，先用紅表筆接在三極管的一個(gè)腳上，再用黑表筆去碰另外兩個(gè)腳。如果兩次都導(dǎo)通，則紅表筆所接的就是三極管的基極;如果沒(méi)找到，就換另外的腳再次進(jìn)行測(cè)試;若兩次測(cè)出阻值都很小，則三極管為PNP型;若測(cè)得阻值均很大，則三極管為NPN型。兩腳與基極測(cè)出的兩組數(shù)據(jù)中，數(shù)值小一點(diǎn)時(shí)黑表筆所接的腳為集電極，另外一個(gè)腳則為發(fā)射極。

學(xué)生根據(jù)教師提出的注意事項(xiàng)，改正設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，完善本小組的設(shè)計(jì)方案。

2.4? ? 工程（engineer）——工程制作，展示交流

工程階段是6E學(xué)習(xí)模式的核心階段，該階段的目的是把探究實(shí)驗(yàn)與工程設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。在教學(xué)設(shè)計(jì)中要以“工程”為核心內(nèi)容。

【工程制作】 各小組根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行操作，用已給出的實(shí)驗(yàn)器材，按照設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行連接，完成自己的工程設(shè)計(jì)。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，看實(shí)際現(xiàn)象是否與設(shè)計(jì)時(shí)的猜想一致。

由于室內(nèi)光線較亮，二極管不發(fā)光。線路連接完成后，當(dāng)用手擋住光敏電阻或把實(shí)驗(yàn)裝置移到光線較暗的環(huán)境中時(shí)，二極管自動(dòng)發(fā)光。工程制作成果如圖5所示。

【展示交流】 各小組完成制作后，展示自己的作品，交流制作的心得體會(huì)。小組之間互相評(píng)價(jià)，完成分發(fā)的評(píng)價(jià)表。

2.5? ? 深化（enrich）——深化問(wèn)題，拓展延伸

深化階段是引導(dǎo)學(xué)生在已掌握知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化探索，老師提出新的問(wèn)題，一方面引導(dǎo)學(xué)生深入思考，實(shí)現(xiàn)知識(shí)技能的遷移;一方面引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)，加深對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用。

【深化拓展】 2021年全國(guó)兩會(huì)上的《政府工作報(bào)告》對(duì)能源行業(yè)在2021年及“十四五”時(shí)期的重點(diǎn)工作提出了明確要求，清潔、低碳、安全、高效等關(guān)鍵詞貫穿始終[3]。習(xí)近平總書記曾指出“光伏發(fā)電扶貧，一舉兩得，既扶了貧，又發(fā)展了新能源，要加大支持力度”[4]。在實(shí)際生活中，光控路燈除了用光敏電阻進(jìn)行控制外，還可用太陽(yáng)能來(lái)完成。

【知識(shí)遷移】 給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)器材（太陽(yáng)能板、蓄電池E、導(dǎo)線、開關(guān)S、發(fā)光二極管LED、三極管Q、電阻R、面包板），設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能控制電路的裝置，使電路采用太陽(yáng)能供電。學(xué)生通過(guò)查閱資料了解到當(dāng)三極管基極輸入電壓為低電平時(shí)，發(fā)射極與集電極反向偏置，三極管工作為截止?fàn)顟B(tài)，三極管斷開;基極輸入電壓為高電平時(shí)，三極管迅速飽和導(dǎo)通，集電極輸出為低電平[5]。

在教師指導(dǎo)下，學(xué)生設(shè)計(jì)電路圖（圖6）。白天，太陽(yáng)能板電壓大于0.7 V時(shí)，三極管Q1基極電壓就會(huì)大于0.6 V，三極管Q1導(dǎo)通，三極管Q2關(guān)閉，此時(shí)發(fā)光二極管的回路切斷并熄滅;晚上，太陽(yáng)能板電壓小于0.7 V時(shí)，通過(guò)電阻分壓，三極管Q1的基極電壓就會(huì)小于0.6 V，三極管Q1截止，三極管Q2導(dǎo)通，發(fā)光二極管的回路接通并發(fā)光。

本次制作接入了太陽(yáng)能板和蓄電池，如圖7所示，當(dāng)裝置放在光線充足的環(huán)境中時(shí)，太陽(yáng)能板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在蓄電池中;光線較暗時(shí)，蓄電池給電路供電，二極管發(fā)光實(shí)現(xiàn)夜間照明。

老師在上述任務(wù)完成之后引導(dǎo)學(xué)生思考除太陽(yáng)能外還有什么能源能夠發(fā)電。

2.6? ? 評(píng)價(jià)（evaluate）——評(píng)價(jià)測(cè)試，共同進(jìn)步

評(píng)價(jià)階段是教師依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)合理的評(píng)價(jià)方式來(lái)確定學(xué)習(xí)者是否獲得知識(shí)，檢測(cè)學(xué)習(xí)效果。

【測(cè)試評(píng)價(jià)】 教師對(duì)每個(gè)小組及每一個(gè)學(xué)生的探究與制作過(guò)程打分評(píng)價(jià)，并分發(fā)評(píng)價(jià)表給學(xué)生，讓學(xué)生互相評(píng)價(jià)，并針對(duì)本次設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。綜合教師、同學(xué)以及學(xué)生的自評(píng)分，得出每一位學(xué)生的最終成績(jī)。

3? ? 總? 結(jié)

基于6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要圍繞六個(gè)項(xiàng)目完成，以生活真實(shí)情境進(jìn)行教學(xué)，六個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)緊扣。以光控路燈為切入點(diǎn)，從傳感器中的光敏電阻及能源發(fā)展中的太陽(yáng)能入手，學(xué)習(xí)各類電子元件的理論知識(shí)及應(yīng)用。結(jié)合生活中的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。在設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，深刻感受到設(shè)置教學(xué)情境與進(jìn)行科學(xué)探究的重要性。受實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)操作的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)失誤，需要學(xué)生親歷探究過(guò)程，與老師一起解決探究過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，從而幫助學(xué)生形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力。

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（欄目編輯? ? 賈偉堯）