巧設(shè)實(shí)驗(yàn)情境 培育核心素養(yǎng)

付麗萍 沈璐

摘 要：以“光電傳感器的原理”教學(xué)片段為例，巧設(shè)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境;巧析實(shí)驗(yàn)，建立概念;巧設(shè)實(shí)驗(yàn)，分析論證;巧釋實(shí)驗(yàn)，拓展遷移.引導(dǎo)學(xué)生了解光電傳感器的工作原理，在具體的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，培育學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)情境;核心素養(yǎng);光電傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）15-0025-04

基金項(xiàng)目：2020年度福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“信息化背景下物理教育碩士混合式實(shí)驗(yàn)案例資源庫(kù)開(kāi)發(fā)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：FBJG20200074）.

作者簡(jiǎn)介：付麗萍（1962-），女，河南魯山人，本科，教授，研究方向：物理課程與教學(xué)論;沈璐（1997-），女，福建漳州人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面凝煉了物理學(xué)科的育人價(jià)值.實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式[1].傳感器是高中物理選擇性必修2模塊的四個(gè)主題內(nèi)容之一[1]，是學(xué)生在學(xué)習(xí)完力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等物理知識(shí)后，進(jìn)一步了解物理學(xué)在技術(shù)層面的應(yīng)用.傳感器在自動(dòng)控制和信息處理等技術(shù)中發(fā)揮著非常重要的作用，傳感器主題的教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了“物理與社會(huì)發(fā)展”“物理與技術(shù)應(yīng)用”“物理與生活”息息相關(guān)的課程理念.新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)教學(xué)的要求是：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解傳感器的工作原理.會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置.教學(xué)實(shí)踐表明，光電傳感器的結(jié)構(gòu)和原理比較復(fù)雜，大多數(shù)學(xué)生并不了解其中蘊(yùn)含的物理原理.例如，光電傳感器中的光敏電阻是典型的光敏元件，有著廣泛的應(yīng)用，而學(xué)生對(duì)其光敏特性缺少感性認(rèn)識(shí)，對(duì)其中的一些典型電子元件（如干簧管、三極管等）比較陌生，存在著認(rèn)知困難.因此， 用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境來(lái)彌補(bǔ)上述不足顯然是個(gè)不錯(cuò)的選擇.

1 基于核心素養(yǎng)培育的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于以上的分析，我們以“光電傳感器的原理”教學(xué)片段為載體，以培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為主線，巧設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引發(fā)學(xué)生思考，幫助學(xué)生理解.教學(xué)設(shè)計(jì)模型如圖1所示.

2 基于核心素養(yǎng)培育的教學(xué)過(guò)程

2.1 巧設(shè)實(shí)驗(yàn) 導(dǎo)入新課

師：美妙的音樂(lè)能使人心曠神怡，今天老師用這把普通的手電筒就能讓同學(xué)們現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)到悅耳的歌聲，大家信不信？

教師活動(dòng)：展示自制光控音樂(lè)演示儀，并用手電筒光照其中的光敏電阻（如圖2）.

生（眾）：很興奮，聽(tīng)到了.

師：哪個(gè)同學(xué)愿意上來(lái)體驗(yàn)一下？

生：用手電筒光照光控音樂(lè)板，音樂(lè)響起.

提出問(wèn)題：為什么用手電筒的光照就能控制音樂(lè)的播放呢？

設(shè)計(jì)意圖 教學(xué)中通過(guò)自制的實(shí)驗(yàn)儀，創(chuàng)設(shè)真實(shí)有趣的實(shí)驗(yàn)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知需要，啟動(dòng)學(xué)生的思維.光控音樂(lè)演示儀材料易取、現(xiàn)象明顯，并可以作為教具重復(fù)使用，見(jiàn)表1.

2.2 巧析實(shí)驗(yàn) 建立概念

教師活動(dòng)1：引導(dǎo)學(xué)生觀察手電筒靠近及遠(yuǎn)離光敏電阻時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

學(xué)生活動(dòng)：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

師：請(qǐng)同學(xué)們回憶一下傳感器的概念.

生：傳感器是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件.

教師活動(dòng)2：PPT展示傳感器概念.

提出問(wèn)題：光電傳感器感受什么類(lèi)型的信號(hào)？

生：光信號(hào).

提出問(wèn)題：什么是光電傳感器？

生：光電傳感器是能感受光信號(hào)，按照一定規(guī)律把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件.

師：光電傳感器是如何把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的呢？

教師活動(dòng)：PPT展示分析流程圖如圖3.

學(xué)生活動(dòng)：交流、思考.

師生分析：傳感器一般是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成.光電傳感器利用光敏電阻作為敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻變化這一電信號(hào)，再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路控制音樂(lè)播放.

設(shè)計(jì)意圖 從現(xiàn)象入手分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)明確非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的技術(shù)意義.利用流程圖引導(dǎo)分析，讓學(xué)生在頭腦中形成“有光然后有電”“光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)”的物理表象，經(jīng)歷“觀察—思考—分析”的思維活動(dòng)，使學(xué)生的思維經(jīng)歷由具體到抽象的轉(zhuǎn)化[2].建立光電傳感器的概念，初步形成與傳感器相關(guān)的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.

2.3 巧用實(shí)驗(yàn) 分析論證

任務(wù)1：探究光敏電阻的特性.

教師活動(dòng)：介紹實(shí)驗(yàn)器材如圖4.

任務(wù)驅(qū)動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)們利用桌面上的實(shí)驗(yàn)器材兩人一組動(dòng)手實(shí)驗(yàn)（如圖4）.

學(xué)生活動(dòng)：選擇器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

師：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了什么？

生1：用手電筒光照光敏電阻，電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)格數(shù)變多.

生2：用黑布遮住光敏電阻，電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)格數(shù)變少.

師：哪位同學(xué)能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析一下光敏電阻的特點(diǎn)？

生1：由歐姆定律可以推出，當(dāng)光照由強(qiáng)變?nèi)鯐r(shí)，光敏電阻的阻值由小變大.

生2：入射光強(qiáng)，阻值變小;入射光弱，阻值變大.

師：請(qǐng)同學(xué)們用桌上的黑布遮住光敏電阻，再用手電筒光照色環(huán)電阻，對(duì)比一下.

生（眾）：電流計(jì)指針沒(méi)有變化.

師：很好！請(qǐng)同學(xué)們思考下，為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象呢？

生：光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)光照到這些半導(dǎo)體物質(zhì)上時(shí)，它的電阻率減小，阻值也隨之減小.

師：光敏電阻一般可以用于光的測(cè)量和光的控制.光敏電阻型號(hào)很多，像光控音樂(lè)板所用的光敏電阻，受光照時(shí)阻值約為500Ω，不受光照時(shí)，其電阻值是受光照射情況下的100-2000倍.

設(shè)計(jì)意圖 光敏電阻是典型的光敏元件，在光電傳感器中應(yīng)用廣泛.現(xiàn)行的教材中一般是直接用歐姆表測(cè)量光敏電阻阻值，此方法會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境光照的變化，導(dǎo)致儀器示數(shù)跳動(dòng)不穩(wěn)定，學(xué)生不易讀數(shù).在教學(xué)中我們用靈敏電流計(jì)替代歐姆表進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電路中靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)情況，分析論證得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)解釋問(wèn)題的能力.該實(shí)驗(yàn)器材低值易取，電路簡(jiǎn)單，操作方便并能進(jìn)行半定量的測(cè)量.

任務(wù)2：認(rèn)識(shí)干簧管元件.

教師活動(dòng)：介紹并演示干簧管實(shí)驗(yàn)如圖5所示.

師：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了什么？

生（眾）：磁鐵靠近干簧管，燈泡發(fā)光.磁鐵離開(kāi)，燈泡熄滅.

提出問(wèn)題：磁鐵是如何通過(guò)干簧管控制燈泡的亮暗呢？

生：磁鐵靠近，周?chē)艌?chǎng)會(huì)變強(qiáng);磁鐵離開(kāi)，周?chē)艌?chǎng)會(huì)變?nèi)?

師：磁鐵靠近時(shí)，干簧管的簧片就會(huì)被磁化吸合;磁鐵遠(yuǎn)離，兩簧片就會(huì)分開(kāi).干簧管是一種開(kāi)閉受磁場(chǎng)強(qiáng)弱控制的開(kāi)關(guān)，在光控音樂(lè)板中，干簧管與音樂(lè)播放器串聯(lián)，干簧管的通斷控制音樂(lè)播放.

設(shè)計(jì)意圖 傳感器的工作離不開(kāi)其它電子元件.了解常用的電子元件有助于學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器的工作原理，學(xué)會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置.利用實(shí)驗(yàn)室隨手可取的開(kāi)關(guān)、電池盒、小燈座等低值品材料，設(shè)計(jì)干簧管實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析論證，加深學(xué)生對(duì)干簧管的認(rèn)識(shí).

任務(wù)3：了解三極管的工作原理.

提出問(wèn)題：在實(shí)際的控制電路中，光敏電阻阻值很大，通過(guò)線圈電流很小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)無(wú)法使干簧管閉合，如何解決呢？

生：多繞線圈或增大電流.

師：兩種方法都可行.自制的光控音樂(lè)演示儀采用三極管這一電子元件來(lái)放大電流，配合光敏電阻、干簧管完成光控開(kāi)關(guān)的任務(wù).

教師活動(dòng)：介紹NPN三極管如圖6.

引導(dǎo)分析：當(dāng)基極b、發(fā)射極e兩端電壓小于一定值，集電極c和發(fā)射極e之間相當(dāng)于斷路不導(dǎo)通;當(dāng)基極b、發(fā)射極e兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，集電極c和發(fā)射極e導(dǎo)通，并且集電極的電流會(huì)被放大.三極管不僅有放大電流的作用，還能作為開(kāi)關(guān)使用，能使電路接通或斷開(kāi)[3].

設(shè)計(jì)意圖 在光電傳感器的控制電路中，由于光敏電阻的阻值很大，需要接入電壓很高的電源，否則電路電流很微弱，很難直接驅(qū)動(dòng)裝置工作.因此，在實(shí)際設(shè)備中可以采用放大電路的配置，電路中接入一個(gè)NPN型三極管，它能在導(dǎo)通狀態(tài)下放大通過(guò)線圈的電流，此時(shí)只需要4節(jié)干電池作為電源便能實(shí)現(xiàn).光敏電阻在有光照時(shí)，三級(jí)管處于導(dǎo)通狀態(tài);無(wú)光照時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)光照自動(dòng)控制的功能.三極管是生活常用的電子元件，分析三極管的工作原理，了解一些電工技術(shù)方面的知識(shí)，提高實(shí)踐應(yīng)用能力，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)視野.

2.4 巧釋實(shí)驗(yàn) 拓展遷移

任務(wù)1：結(jié)合電子元件功能分析電路圖，解釋光控音樂(lè)演示儀的工作原理.

教師活動(dòng)：展示并介紹電路圖如圖7，電阻R1和光敏電阻Rg組成串聯(lián)分壓電路，三極管的基極b和發(fā)射極e分別與電阻R1兩端相連.當(dāng)光敏電阻阻值發(fā)生變化，則會(huì)導(dǎo)致電阻R1兩端的電壓發(fā)生變化，進(jìn)而影響三極管基極和發(fā)射極兩端的電壓，控制三極管的通和斷.

提出問(wèn)題：當(dāng)用手電筒光照時(shí)，電路電流會(huì)如何變化呢？

教師活動(dòng)：展示流程圖如圖8.

引導(dǎo)分析：有光照時(shí)光敏電阻阻值變小，R1的分壓就變大.基極和發(fā)射極間的電壓達(dá)到一定程度后，三極管導(dǎo)通，此時(shí)，由電源正極經(jīng)過(guò)電阻R3、線圈、三極管集電極和發(fā)射極到電源負(fù)極的回路被導(dǎo)通，并且線圈中的電流被放大，干簧管接通，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)播放.

提出問(wèn)題：當(dāng)手電筒關(guān)閉后，電路電流又會(huì)如何變化呢？

生：無(wú)光照時(shí)光敏電阻阻值變大，R1的分壓變小，基極和發(fā)射極間的電壓小于一定值，三極管不導(dǎo)通，由電源正極經(jīng)過(guò)電阻R3、線圈、三極管集電極和發(fā)射極到電源負(fù)極的回路被斷開(kāi)，通過(guò)線圈電流幾乎為零，干簧管斷開(kāi)，音樂(lè)停止.

設(shè)計(jì)意圖 分析光電傳感器工作原理是教學(xué)的重難點(diǎn)，利用流程圖，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)中的復(fù)雜物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單物理問(wèn)題，對(duì)控制電路進(jìn)行分析推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度.

任務(wù)2：學(xué)以致用.

教師活動(dòng)：演示自制光控?zé)簦ㄈ鐖D9）.

布置任務(wù)：請(qǐng)同學(xué)們參考光控?zé)舻碾娐穲D，課下利用電源、開(kāi)關(guān)、光敏電阻、三極管、水泥電阻、可調(diào)電阻、面包板、LED燈珠等電器元件以小組為單位制作一個(gè)簡(jiǎn)單的光控?zé)?，控制燈可以在天亮?xí)r自動(dòng)關(guān)閉，而在天暗時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟.

設(shè)計(jì)意圖 展示自制簡(jiǎn)易光控?zé)?，便于學(xué)生選擇合適的電子元器件，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電子電路，解決實(shí)際問(wèn)題.使學(xué)生體會(huì)到光電傳感器為生活帶來(lái)的便利，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用，增強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感.

3 結(jié)束語(yǔ)

2017年版新課標(biāo)在地方和學(xué)校實(shí)施本課程的建議中明確指出，要利用日常用品改進(jìn)實(shí)驗(yàn)或開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)”[1].在教學(xué)中利用低值品自制實(shí)驗(yàn)，取材方便、現(xiàn)象直觀，能有效幫助學(xué)生克服認(rèn)知障礙突破教學(xué)難點(diǎn)，充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于培育學(xué)生物理核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用.

參考文獻(xiàn)：

[1]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）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]鄭志湖.構(gòu)建學(xué)為中心的物理課堂 培育學(xué)生核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué)，2018，40（03）：11-14.

[3]彭前程，黃恕伯.普通高中教科書(shū)物理（選擇性必修第二冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2019.

（收稿日期：2021-05-31）