仲 坤 馬偉遠 吳戴潔 陳 肯 李文文 黎靜雯

(1. 南京信息工程大學教師教育學院,江蘇 南京 210044; 2. 南京信息工程大學附屬中學,江蘇 南京 210044; 3. 北流市實驗中學,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用,例如,紅外溫度計、手機中內(nèi)置的指南針、夜晚室內(nèi)使用的小夜燈、公共場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,被選入高中物理課程. 然而,由于實驗條件限制或重視程度不夠等原因,很多學生并不能親自對光敏電阻的規(guī)律進行實驗驗證,更談不上進行設計制作.人教版教材(選擇性必修2)所給出的光控開關電路,涉及到三極管飽和導通和截止關斷,學生普遍感覺有一定的難度.

STEAM教育強調(diào)知識跨界、情境多元、創(chuàng)新驅動,體現(xiàn)出綜合化、活動化、實踐化的特征,又反映了教育回歸社會的訴求.[1,2]為促進學生順利掌握傳感器的原理并能夠進行實踐應用,本文基于STEAM教學理念,以光敏電阻傳感器為核心教學內(nèi)容,設計了4個教學模塊,分別對應學科核心素養(yǎng)4個維度. 在實施教學的過程中,充分考慮跨學科的知識特點、思維方法和教學習慣,遵循學生認知規(guī)律,引導學生從多維度、多視角理解光敏電阻.

1 教學模塊設置

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

主題教學活動由“初步印象”“實驗探究”“作品設計”“總結反思”4個模塊構成. 這個4個模塊分別對應學科核心素養(yǎng)的4個維度,即物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任,體現(xiàn)了STEAM教育理念與課程標準的高度契合. 4個模塊的目標及任務分別為:(1) 通過課前查詢資料、自主學習等方式了解光敏傳感器的基本知識. 通過同學交流與教師指導,深化對光敏電阻的認識與理解. 將分散在眾多學科的知識系統(tǒng)化,將碎片化的知識逐漸升華形成物理觀念. (2) 設計實驗裝置探究光強與光敏電阻的關系. 在驗證物理規(guī)律的過程中,收集證據(jù)進行科學推理、科學論證,對應學科核心素養(yǎng)的科學思維. (3) 設計光敏電阻作品,引導學生進行科學探究、尋找解釋,對應學科核心素養(yǎng)的科學探究要素. (4) 對學習過程進行反思,引導學生進行交流討論. 對知識進行梳理,形成跨學科的知識聯(lián)絡,促進知識與能力的提升,增強承擔社會責任的使命感,對應學科核心素養(yǎng)的科學態(tài)度與責任.

2 課堂探究

以“探尋光敏電阻的奧秘”為主題,設置任務模塊驅動自主學習與自主探究,實現(xiàn)物理到工程的跨學科知識建構. 教學過程符合循序漸進的認知規(guī)律又兼顧學生的認知能力. 在融入STEAM理念的項目式學習過程中,給學生提供了解決實際問題的鍛煉機會. 充分發(fā)揮了自主學習、做中學等教學模式的優(yōu)勢,幫助學生實現(xiàn)知識構建與遷移.[3]

2.1 初步印象

安排學生課前查閱資料,自主學習光敏電阻的基礎性知識. 引導學生從電阻分類、材料成分、工作原理以及應用場景等方面進行查閱. 課堂上,組織學生分組匯報. 學生在匯報交流的過程中,豐富了對光敏電阻的認識. 教師根據(jù)學生的匯報情況,列出光敏電阻知識點,制作了表1.

表1 光敏電阻的相關知識

教師對匯報進行提問并點評,在匯報討論的過程中,逐步得到材料成分是決定傳感器工作波長的結論,而工作波長則是應用場景的前提條件. 此外,教師可以嘗試適當闡述光敏電阻材料制備的過程、不同材料的帶隙以及對應的波長. 經(jīng)過學生調(diào)研、小組匯報討論、教師點評等環(huán)節(jié),充分激發(fā)學生的求知欲望和探索意識.

2.2 實驗探究

教師設計實驗方案并提供器材,學生分組實驗探究光強與光敏電阻的關系(如圖1所示).實驗使用白光LED燈作為光源,通過PWM可調(diào)電源連續(xù)改變LED光照強度.使用標準光強計測量光照強度,使用萬用電表測量光敏電阻阻值.所需要的實驗器材有:直流可調(diào)電源,白光LED光源、標準光強計、萬用電表、光具座、光敏電阻、導線等.逐步改變光照強度,獲得光強與電阻的數(shù)據(jù),繪制關系曲線如圖2所示.可以看到隨著光強增大,電阻逐漸減小. 通過親自動手實驗,學生獲得了切實的體驗,獲得了對光敏電阻物理規(guī)律的感性認識.

圖1 探究光強與光敏電阻阻值的關系

圖2 光強與光敏電阻阻值的關系

2.3 作品設計

在作品設計環(huán)節(jié),引導學生從物理原理出發(fā),結合通用技術知識,設計作品實現(xiàn)光控LED燈照明. 教材給出的應用電路使用了三極管元件,學生學習這個電路具有一定的難度. 繼電器的工作原理比較簡單,學生容易理解和接受. 在作品設計環(huán)節(jié),使用電磁繼電器代替三極管實現(xiàn)光控照明. 設計作品的過程中,教師要注意降低設計的難度,對學生進行必要的指導. 給學生提供的器材有: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

為了幫助學生更好地完成設計,教師設計如下問題鏈進行引導: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引腳控制?觸發(fā)引腳如何獲得變化的電壓?在問題鏈的驅動下,學生通過討論、分析以及實踐操作后,意識到繼電器由輸入、輸出回路構成. 輸入回路導通,則引起輸出回路導通;輸入回路斷開,則輸出回路斷開. 輸入回路的導通與關斷,由觸發(fā)電壓經(jīng)過IN引腳控制. 進入此環(huán)節(jié),就可以引導學生使用光敏電阻設計電路實現(xiàn)變化的電壓. 學生經(jīng)過討論,可能會提出多種方案. 結合現(xiàn)有的器材,比較簡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. 當外界光強發(fā)生變化時,光敏電阻的阻值以及電阻分壓隨之改變,從而觸發(fā)回路導通或斷開. 設計電路的過程中要注意提醒學生查閱元件參數(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極. 繼電器輸出回路的NO引腳接入LED燈的正極,LED燈負極接入直流電源負極. 繼電器輸出回路的COM引腳接電源負極. 光敏電阻及串聯(lián)的電阻接入直流電源的正負極,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,LED指示燈被點亮,如圖3所示.

調(diào)試過程中,使用多用電表測試光敏電阻的電壓. 當光照強度減小,光敏電阻兩端電壓增大到2 V,達到IN引腳的觸發(fā)電壓. 輸入回路線圈導通,銜鐵吸合,LED指示燈被點亮發(fā)光. 當光照強度增大,光敏電阻兩端電壓逐漸降低,線圈回路斷開,銜鐵被彈簧拉回復位,輸出回路斷開,LED燈熄滅.

2.4 總結研討

在此教學環(huán)節(jié),教師引導學生梳理學習過程中所獲得的知識與體會. 通過小組代表發(fā)言,師生提問交流. 學生認識到半導體化合物是實現(xiàn)光敏電阻的物質(zhì)基礎,而物理學則是解釋和研究光敏電阻特性的理論基礎. 制作光敏電阻器件的過程中,綜合使用了諸如機械、電子封裝等領域的知識. 點評作品設計環(huán)節(jié),教師可以提問學生,我們的作品經(jīng)過適當?shù)母淖?還可以用到哪些場合. 學生想到可以使用小型直流電動機代替LED燈,當環(huán)境光線強弱變化時,電機可以拖動窗簾自動調(diào)節(jié)亮度. 有的學生認為可以用到城市的路燈系統(tǒng),長江或近海的航標燈等等. 光敏電阻器件與電子信息技術等知識相結合,在消防、軍事、醫(yī)學、民用等眾多領域獲得了廣泛的應用. 在學習的過程中,學生認識到基礎學科與工程技術相結合,改善了人民的生活質(zhì)量.由光敏電阻元件作為教學主題內(nèi)容,通過融入STEAM理念的跨學科教學方案的實施,形成多學科知識的立體聯(lián)絡.有利于促進學科融合、培養(yǎng)工程意識,能夠幫助學生樹立報效祖國的遠大志向.[4,5]

3 教學反思

“探尋光敏電阻的奧秘”是一次融入STEAM理念的跨學科教學嘗試,以光敏電阻為教學的核心元素,從多個學科視角進行學習和探索. 通過自主學習、探究實驗、小組合作等多樣化的教學方式,有利于知識的構建、有助于啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維,促進學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).[6]當今科學技術飛速發(fā)展,社會對人才的要求愈來愈高,融入STEAM理念的跨學科教學活動,可以幫助學生適應時代要求,為未來的發(fā)展奠定基礎. 對教師而言,則需要更新教育理念,充分認識到STEAM教育的價值,積極參與STEAM教育資源的開發(fā)與教學實施. 總之,融入STEAM 教育的跨學科教學活動,是人類步入新時代的必然要求,也是新時代背景下物理教學的必由之路.