摘 要：基于知識(shí)發(fā)生過(guò)程的高中物理單元教學(xué)，要求教師在單元整體教學(xué)指引下揭示知識(shí)的本質(zhì)、順序與聯(lián)系。將“力傳感器”作為一個(gè)教學(xué)單元，把力傳感器的技術(shù)意義、工作原理、實(shí)際應(yīng)用三大模塊根據(jù)知識(shí)發(fā)生過(guò)程的路徑進(jìn)行整體教學(xué)設(shè)計(jì)，并以闖關(guān)模式（感知關(guān)、探究關(guān)、應(yīng)用關(guān)、反思關(guān)）實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的銜接與遞進(jìn)。

關(guān)鍵詞：知識(shí)發(fā)生過(guò)程；高中物理；單元教學(xué)；闖關(guān)教學(xué)；傳感器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）8-0093-4

知識(shí)發(fā)生過(guò)程的教學(xué)就是教師引導(dǎo)學(xué)生揭示知識(shí)發(fā)生的前提或原因，從知識(shí)的起始位置開(kāi)始感受知識(shí)形成的過(guò)程，明確知識(shí)擴(kuò)充的經(jīng)過(guò)以及向前拓展的方向，簡(jiǎn)單地講，就是再現(xiàn)知識(shí)的來(lái)龍去脈，揭示知識(shí)的本質(zhì)、順序與聯(lián)系［１］。單元教學(xué)設(shè)計(jì)是針對(duì)一章或一個(gè)專題的內(nèi)容，將備課的重點(diǎn)從單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的傳授轉(zhuǎn)向有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生梳理知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，感受概念和規(guī)律的意義，感知物理思想方法在科學(xué)研究過(guò)程中的作用，體會(huì)物理學(xué)的本質(zhì)［２］。基于知識(shí)發(fā)生過(guò)程的高中物理單元教學(xué)要求教師在整體思維指引下，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生在重演、再現(xiàn)知識(shí)發(fā)生過(guò)程的活動(dòng)中內(nèi)化前人發(fā)現(xiàn)知識(shí)的方法與能力，從而形成探究新知識(shí)、獲取新知識(shí)、運(yùn)用新知識(shí)的本領(lǐng)，彰顯學(xué)科育人價(jià)值。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７ 年版２０２０年修訂）》［３］對(duì)“傳感器”的內(nèi)容要求有“１．知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義。２．通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解常見(jiàn)傳感器的工作原理。３．列舉傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。建議：調(diào)查生產(chǎn)生活中傳感器的應(yīng)用，分析某一種傳感器的工作原理?！睋?jù)此，將“力傳感器”作為教學(xué)單元，把力傳感器的技術(shù)意義、工作原理、實(shí)際應(yīng)用三大模塊壓縮成一課時(shí)內(nèi)容，并根據(jù)知識(shí)發(fā)生過(guò)程的路徑進(jìn)行單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)，并以闖關(guān)模式（感知關(guān)、探究關(guān)、應(yīng)用關(guān)、反思關(guān)）實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的銜接與遞進(jìn)。

1 設(shè)計(jì)思路

本課的教學(xué)對(duì)象是高二年級(jí)學(xué)生，高二學(xué)生雖然已經(jīng)做了很多關(guān)于傳感器的題目，但是，未曾深入研究過(guò)真實(shí)的傳感器。對(duì)于高二學(xué)生而言，傳感器是新奇有趣的，但是分析和應(yīng)用傳感器相關(guān)知識(shí)時(shí)卻存在一定的困難。以知識(shí)發(fā)生過(guò)程為路徑展開(kāi)的“力傳感器”教學(xué)將會(huì)全面梳理傳感器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，有效整合課程內(nèi)容，提升教學(xué)效率，而闖關(guān)模式的加入，更能激發(fā)高二學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維、提升關(guān)鍵能力的目的。

基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)，確立教學(xué)目標(biāo)（表１）。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，確立本課教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是力傳感器的工作原理及應(yīng)用，難點(diǎn)是利用力傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。教學(xué)流程如表２所示。

2 實(shí)施路徑

本課利用闖關(guān)模式的感知關(guān)、探究關(guān)、應(yīng)用關(guān)、反思關(guān)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的銜接與遞進(jìn)，具體的闖關(guān)方式如下：以學(xué)習(xí)小組為單位，每完成一項(xiàng)闖關(guān)任務(wù)，即可獲得闖關(guān)金幣一枚。一枚金幣可用于“組外求助”，兩枚金幣可用于“解鎖新道具”，三枚金幣可獲得“通關(guān)禮包”。

2.1 感知關(guān)：觀察使用生活中的力傳感器裝置，了解傳感器的技術(shù)意義

活動(dòng)１ 學(xué)生分組觀察和使用生活中常見(jiàn)的力傳感器裝置（圖1），知道力傳感器是把力這個(gè)非電學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的裝置，進(jìn)而了解傳感器的定義和將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義。

闖tEyFhKzdTR1FphLdR5ISjxjXOiMwTGkIXueIe2UIfO4=關(guān)設(shè)計(jì) 在課堂開(kāi)始時(shí)，讓學(xué)生小組推薦組內(nèi)一名握力最大的學(xué)生，各小組的“大力士”在講臺(tái)上應(yīng)用電子握力器同臺(tái)比較握力大小，班上握力最大的學(xué)生所在的小組獲得闖關(guān)金幣一枚。

2.2 探究關(guān)：分析力傳感器核心部件的工作架構(gòu)，了解傳感器的工作原理

活動(dòng)２ “應(yīng)變式力傳感元件”是力傳感器的核心部件，學(xué)生從敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分（圖2）去分析應(yīng)變式力傳感元件的工作原理架構(gòu)，進(jìn)一步理解力傳感器將非電學(xué)量“力”轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量“電壓差值”的工作原理［４］。

闖關(guān)設(shè)計(jì) 在學(xué)生學(xué)習(xí)和理解敏感元件（電阻應(yīng)變片）和轉(zhuǎn)換元件（由金屬梁和應(yīng)變片組成）的工作原理后，引出轉(zhuǎn)換電路是由四個(gè)電阻應(yīng)變片組成的電橋電路，初始電阻值均為ｘ０。引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用高中物理知識(shí)在組內(nèi)探究分析轉(zhuǎn)換電路的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，并在“當(dāng)彈性梁右端受到外力作用，四個(gè)應(yīng)變片電阻變化量的絕對(duì)值均為Δｘ時(shí)，求解Ａ、Ｂ兩端電壓ＵＡＢ的定量表達(dá)式”闖關(guān)任務(wù)中開(kāi)展小組間的競(jìng)賽，順利完成任務(wù)的小組獲得闖關(guān)金幣一枚。

2.3 應(yīng)用關(guān)：利用力傳感器來(lái)測(cè)量物體質(zhì)量，并設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自動(dòng)控制裝置

活動(dòng)３ 學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)利用應(yīng)變式力電傳感器來(lái)測(cè)量物體質(zhì)量的裝置。學(xué)生在理解應(yīng)變式力電傳感器（輸出電壓正比于受壓面的壓力）的原理后，利用組內(nèi)的實(shí)驗(yàn)器材（力電轉(zhuǎn)換器、待測(cè)物體、質(zhì)量為ｍ０的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、電池、開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線若干）設(shè)計(jì)電路圖和測(cè)量公式，測(cè)量待測(cè)物體（置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）的質(zhì)量。

闖關(guān)設(shè)計(jì) 首先，學(xué)生在組內(nèi)通過(guò)問(wèn)題鏈的方式深入理解應(yīng)變式力電傳感器的工作原理：①應(yīng)變式力電轉(zhuǎn)換器的輸入端、輸出端和受壓面相對(duì)應(yīng)的物理量是什么？②當(dāng)力電轉(zhuǎn)換器空載時(shí)，輸入端通入電流Ｉ后的輸出電壓為多少？③輸入電流Ｉ保持恒定，在力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上放一質(zhì)量為ｍ的物體，則輸出電壓Ｕ０與物體質(zhì)量ｍ的數(shù)學(xué)關(guān)系式是什么？④若增大輸入電流Ｉ，輸出電壓Ｕ會(huì)如何變化？比例系數(shù)ｋ也會(huì)變化嗎？

接著，學(xué)生完成應(yīng)用力傳感器測(cè)量待測(cè)物體質(zhì)量的電路設(shè)計(jì)，使放置已知質(zhì)量砝碼時(shí)力電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可調(diào)，且調(diào)節(jié)范圍盡可能大。學(xué)生完成“畫(huà)出完整電路圖”的闖關(guān)任務(wù)一，展示小組設(shè)計(jì)電路圖（圖3），并在小組間進(jìn)行討論和修正。能順利完成闖關(guān)任務(wù)一的小組獲得闖關(guān)金幣一枚。

然后，學(xué)生根據(jù)問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成“定量計(jì)算力傳感器輸出電壓正比于受壓面壓力的比例系數(shù)ｋ，并測(cè)量待測(cè)物體質(zhì)量ｍ”的闖關(guān)任務(wù)二：①開(kāi)始時(shí)，將滑動(dòng)變阻器的滑片置于什么位置？②閉合開(kāi)關(guān)，分別將質(zhì)量為ｍ０的砝碼和待測(cè)物體放在受壓面上，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，使電壓表的指針偏轉(zhuǎn)在合理的區(qū)間。接著記下質(zhì)量為ｍ０的砝碼對(duì)應(yīng)的電壓表示數(shù)Ｕ０，則比例系數(shù)ｋ為多少？③為了測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量ｍ，接下來(lái)該如何操作？能順利完成闖關(guān)任務(wù)二的小組，獲得闖關(guān)金幣一枚。

最后，利用闖關(guān)金幣解鎖新元件——電壓在１ Ｖ以上時(shí)才會(huì)發(fā)光的發(fā)光二極管。學(xué)生開(kāi)始闖關(guān)任務(wù)三：在電路的適當(dāng)位置中連接發(fā)光二極管，并在調(diào)節(jié)電路后，在受壓面放上質(zhì)量為２０ ｇ的物體時(shí)，恰能使發(fā)光二極管發(fā)光。能順利完成闖關(guān)任務(wù)三的小組，獲得闖關(guān)金幣一枚。

2.4 反思關(guān)：學(xué)生自我總結(jié)全課內(nèi)容，反思全課使用到的關(guān)鍵物理知識(shí)

活動(dòng)４ 學(xué)生從力傳感器的工作原理、實(shí)際應(yīng)用和自動(dòng)控制裝置三大方面來(lái)總結(jié)全課內(nèi)容和知識(shí)，反思全課使用到的關(guān)鍵物理知識(shí)。通過(guò)解析生產(chǎn)生活中力傳感器的應(yīng)用（圖4），讓學(xué)生理解傳感器的原理、傳感器應(yīng)用給人們帶來(lái)的便利性以及它的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

闖關(guān)設(shè)計(jì) 學(xué)生以小組為單位進(jìn)行全課內(nèi)容總結(jié)，并利用所學(xué)知識(shí)解釋生產(chǎn)生活中力傳感器應(yīng)用的原理。能較好地完成闖關(guān)任務(wù)的小組獲得闖關(guān)金幣一枚。最后，統(tǒng)計(jì)各個(gè)小組的金幣數(shù)量，頒發(fā)通關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)。

3 總結(jié)與反思

以力傳感器作為一個(gè)教學(xué)單元進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，是重組教材內(nèi)容的創(chuàng)新性嘗試。本課例經(jīng)過(guò)多次教學(xué)實(shí)踐和探討后，有以下的教學(xué)總結(jié)和反思。

3.1 傳感器作為新高考新教材的重要內(nèi)容，在平時(shí)教學(xué)中易被忽視

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７ 年版２０２０年修訂）》提到，“要重視數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式。數(shù)字實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。數(shù)字實(shí)驗(yàn)是教育信息化發(fā)展的需要，更是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方式和手段”?？梢?jiàn)，傳感器是新高考新教材的重要內(nèi)容。但經(jīng)調(diào)查訪談發(fā)現(xiàn)，傳感器的相關(guān)知識(shí)在以往的教學(xué)中常常被一筆帶過(guò)，學(xué)生對(duì)這一塊內(nèi)容沒(méi)有引起足夠的重視，也對(duì)教材上關(guān)于傳感器的內(nèi)容掌握不深。同時(shí)，越來(lái)越多的高考題都涉及到傳感器的相關(guān)知識(shí)。因此，教師對(duì)傳感器進(jìn)行深入研究是非常有必要的。

3.2 基于知識(shí)發(fā)生過(guò)程的高中物理單元教學(xué)能有效建構(gòu)知識(shí)內(nèi)容體系

以力傳感器作為一個(gè)教學(xué)單元，并按照知識(shí)發(fā)生過(guò)程的順序進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，再現(xiàn)力傳感器工作原理及應(yīng)用的來(lái)龍去脈，揭示生產(chǎn)生活中力傳感器裝置工作原理的本質(zhì)、順序與聯(lián)系，有效建構(gòu)學(xué)生的力傳感器知識(shí)內(nèi)容體系，能讓學(xué)生從知識(shí)的本質(zhì)和源頭出發(fā)，不斷擴(kuò)充力傳感器的知識(shí)內(nèi)容，進(jìn)一步完善學(xué)生的物理知識(shí)體系和解決問(wèn)題的方法體系。

3.3 課堂教學(xué)的闖關(guān)環(huán)節(jié)能有效提升物理課堂的趣味

闖關(guān)教學(xué)模式指向未來(lái)，體現(xiàn)“做中學(xué)、玩中學(xué)”思想，融合了大概念、主題式、情境式、問(wèn)題式、探究式、體驗(yàn)式等多種教學(xué)方法，是一種基于診斷和融合的教學(xué)模式，能有效提升物理課堂的趣味。學(xué)生經(jīng)歷感知關(guān)、探究關(guān)、應(yīng)用關(guān)、反思關(guān)的學(xué)習(xí)過(guò)程也是人類認(rèn)識(shí)事物不斷進(jìn)階的一般過(guò)程，一節(jié)課的闖關(guān)終點(diǎn)又是后續(xù)學(xué)習(xí)的起點(diǎn)。闖關(guān)教學(xué)模式是一種螺旋式上升的進(jìn)階教學(xué)，既指外顯的知識(shí)教學(xué)的螺旋式上升，也包含內(nèi)隱的核心素養(yǎng)的螺旋式上升［５］。

參考文獻(xiàn)：

［１］熊志權(quán)，卞紅，黃海寧．創(chuàng)新物理教研模式，高質(zhì)量實(shí)施普通高中新課程新教材——以廣東省基礎(chǔ)教育高中物理教研基地項(xiàng)目（珠海）為例［Ｊ］．廣東教育（綜合版），２０２３（７）：４１－４３．

［２］劉娜，崔琰，李春密．指向深度學(xué)習(xí)的高中物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)——以“萬(wàn)有引力定律”為例［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０２２，４０（９）：３０－３３．

［３］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０.

［４］王從戎，馬明娟，陳婷，等．傳感器技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［Ｊ］．池州學(xué)院學(xué)報(bào)，２０１８，３２（６）：４２－４４．

［５］余耿華，謝桂英，許桂清，等．指向科學(xué)思維提升的中學(xué)物理闖關(guān)教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)施［Ｊ］．中學(xué)物理，２０２３，４１（３）：３３－３８．

（欄目編輯 李富強(qiáng)）