融入“學習即研究”觀念的核心素養(yǎng)培養(yǎng)教學實踐

【摘要】本文以“常見傳感器的工作原理及應用”教學為例，探討了用研究的觀點構建課堂，培養(yǎng)學生課題研究的能力，在發(fā)展學生推理論證、質疑創(chuàng)新等科學思維與科學探究能力，養(yǎng)成良好的科學態(tài)度等方面的價值，從而為發(fā)展學生核心素養(yǎng)提供了一種新的思路．

【關鍵詞】學習即研究；核心素養(yǎng)；科學思維

1 問題的提出

物理學科核心素養(yǎng)是物理學科育人價值的集中體現，是學生通過物理學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.作為學生科學素養(yǎng)的關鍵成分，物理學科核心素養(yǎng)的貫徹和落實是物理教育工作者面臨的重要課題.

2 “學習即研究”觀點

科學學習的本質是研究，學習者就是研究者，學習過程就是研究過程［1］．“學習即研究”是回歸學習本質，用科學研究的方法引導學習［2］.依據課題研究的過程來組織學習，學習過程則需要經歷課題研究的必要性分析、可行性論證、實踐性體驗、創(chuàng)新性探索等研究的一般過程，這為優(yōu)化核心素養(yǎng)導向課堂教學提供了一條新的思路.

3 融入“學習即研究”觀念的教學實踐

本文以人教版高中物理選擇性必修2“常見傳感器的工作原理及應用”一節(jié)的教學為例，從認識傳感器、探究傳感器、感悟傳感器、賞析傳感器四個方面，探討如何在融入“學習即研究”觀念的物理課堂教學中形成物理觀念，開展科學探究，培養(yǎng)科學思維和科學態(tài)度，把物理核心素養(yǎng)的理念和要求落實到實際教學中去.

3.1 認識傳感器的概念：在研究的必要性分析中引入物理觀念

魔術：“魔術手”操控改裝的玩具小汽車（“干簧管”與小汽車開關并聯）.

教師

玩具小汽車電源已經被關閉，老師沒有接觸開關為啥能讓它啟動起來呢？請一位同學上臺嘗試.

學生

上臺嘗試（失?。⒈硎静唤猓óa生疑問）.

學生

老師手上有遙控.

教師

被你猜對了（展示手中的“小磁鐵”）.小磁鐵為什么能讓玩具汽車啟動呢？

學生

電磁感應.

教師

是嗎？（演示：讓小磁鐵與玩具汽車的相對位置保持不變）

學生

不是（進一步產生疑問）.

教師

其實，玩具汽車被老師加裝了一個叫“干簧管”的元件.它的結構非常簡單，只是玻璃管內封入兩個軟磁性材料制成的簧片.當磁體靠近“干簧管”時，兩個簧片被磁化而接通，起到了開關的作用（展示玩具小汽車改裝的示意電路圖）.

（學生分組觀察“干簧管”的結構，并通過看、聽體驗“干簧管”的工作過程）

教師

“干簧管”是一種能夠感知磁場的敏感元件.（展示）下列生活中的物品中裝有感知什么的敏感元件呢？（如圖1所示）

學生

溫度、壓力、聲音.

教師

我們把這類元件稱為傳感器.傳感器是指這樣一類信息采集元件：它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規(guī)律轉化成電壓、電流等電學量，或轉化為電路的通斷.

教師

感知（感覺、知覺）、轉化（反應），這類似于什么？

學生

類似于人體器官能夠感知聽到、看到、觸到……等信息并將其轉化為刺激信號傳輸給神經中樞處理.

教師

請舉例說明生活中所見到的傳感器.

學生

感應自動門、樓道感應燈、鍵盤、手機…….

教師

（繼續(xù)舉例：酒精檢測、雷達測速、感應水龍頭）學習就是一種研究，研究首先需要考慮課題研究的必要性.請討論：為什么要通過傳感器將非電學量轉化為電學量？

（學生分組討論）

學生

如果把非電學量轉為電學量，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制.

教師

非常好.這就是傳感器的技術意義，傳感器既是實現生產、生活自動化和智能化的必備元件，也是人類拓展感官的重要元件.

設計意圖

利用“干簧管能感知磁場”的特性，演示“魔術手啟動汽車”實驗.利用現象沖突，不僅激發(fā)學生的學習興趣，還激發(fā)了學生的求知欲.再結合認知原理、操作體驗的設計符合從情境到問題、從現象到解釋、從體驗到認知的一般學習過程.具有代表性的傳感器的圖片展示，讓學生快速、清晰地形成物理概念，并實現感性的認識.

3.2 探究傳感器的原理：在研究的可行性論證中滲入科學思維

非電學量轉化為電學量傳感器在生活中是很有必要的，自然對轉化原理的科學分析、可行性論證是學習與研究的重要步驟.實驗演示樓道聲光控燈的工作過程，讓學生觀察燈座并找出其中的敏感元件.學生提出光敏電阻的阻值隨光照變化的猜想，實驗探究光敏電阻在不同光照條件下的阻值，得出隨著光照增強光敏電阻的阻值變小的結論.教師接下來進行教學引導：

教師

金屬能夠導電是因為金屬中有很多可以自由移動的電子.那半導體為什么能夠導電呢？

學生

疑惑.

教師

下面以半導體單晶硅為例，做些淺顯的解釋.如圖2所示，硅原子的最外層電子，由于熱運動或其他原因，其中有極少數自由電子.這樣原來地方就留下了一個空位，稱為“空穴”，空穴相當于一個正電荷.當這個空穴由附近原子中的電子來填補時，就出現了一個新的空穴，相當于空穴在移動.自由電子和空穴都叫做載流子.

在建立半導體導電機理的微觀模型之后，教師設問：

教師

請解釋光照增強時光敏電阻的阻值如何變化？

學生

當光敏電阻受到光照時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成了更多的空穴，于是導電能力明顯增強.

除了對光敏感的元件外，還有對溫度敏感的元件——熱敏電阻.通過教師引導，讓學生了解熱敏電阻的工作原理分析論證過程.

教師

熱敏電阻也是由半導體材料制成，由此你們能得到什么猜想？

學生

隨著溫度的升高，熱敏電阻的阻值變小.（學生分組實驗驗證猜想.）

教師

如何解釋呢？

學生

熱敏電阻溫度升高時會有更多的自由電子和空穴導電，載流子增多，導電能力增強.

評價學生的科學推理準確和學以致用后，再引發(fā)學生思考：

教師

隨著溫度的升高，金屬導體的電阻會如何變化？有什么依據？

學生

增大，小燈泡的伏安特性曲線可以說明這一點.

教師

這是由實驗間接得到的結論.能否直接直觀地得到這個結論呢？

學生

（討論）小燈泡加熱，測量其電阻.

設計意圖

讓學生通過實驗形成對光敏電阻特性的感性認識，激發(fā)“為什么阻值會隨光照增強而減小”的認知疑惑.道而弗牽，學生構建半導體導電機理微觀模型后，迅速成了問題解決主體，自主進行科學推理，論證了光敏電阻的工作原理的可行性.了解了熱敏電阻的工作原理，激活學生科學推理的意識，塑造學生科學探究的習慣，培養(yǎng)學生遷移創(chuàng)新的能力.

3.3 感悟傳感器的啟迪：在研究的實踐性體驗中深入科學探究

（1）理性分析，提出問題

科學研究的過程離不開理性的階段分析停頓，它往往能幫助我們厘清研究的思路，實現研究的目標.學習過程也是不斷反思總結與在學習提升的過程.

教師

探究了光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻的工作原理.我們不妨稍作停頓來理清一下思路.光敏電阻、熱敏電阻為什么能將非電學量轉化為電學量？

學生

因為光敏電阻、熱敏電阻的電阻阻值會隨光照、溫度發(fā)生變化.

教師

換句話說，如果這些元件的電學量——電阻，沒有對光照、溫度敏感的特性，它們將不能設計成相應的傳感器.電學量除了電阻還有……

學生

電流I、電壓U、電容C

教師

電容C與哪個元件有關？

學生

電容器.

教師

哪些非電學量會影響平行板電容器電容呢？電容器可以設計為傳感器嗎？

學生

兩極板的間距、正對面積、極板間的電解質，可以設計為傳感器.

教師

哪些元件影響到電學量電壓U呢？不妨回憶磁場中所學到的元件？

學生

霍爾元件.

教師

請同學們論證霍爾元件、電容器作為傳感器工作原理的可行性.

（2）理論推導，形成證據

教師給出霍爾元件的工作過程的示意圖，學生自主分析：霍爾電壓產生的微觀機理與霍爾電壓的推導過程.

（3）實驗驗證，解釋交流

如圖3所示為霍爾效應演示儀.教師在介紹工作電路后，操作演示：打開電源，電壓表有示數為負值（根據需要先調試好）.

教師

為什么是負值？需要怎么調整？

學生

電流方向確定，電壓表接線正確，施加的磁場方向反了.

教師

試一下（改變磁場方向），非常好（電壓示數為正）.增大電阻，電壓示數為啥變小？

學生

前面理論推導，霍爾電壓與通過元件的電流成正比.增大電路中電阻，通過霍爾元件的電流減小，所以霍爾電壓減小.

教師

（指著磁鐵位置）可以怎么改變磁場呢？

學生

拿掉一塊磁鐵.

教師

（拿掉一塊）霍爾電壓變小.還可以減小嗎？

學生

將剛才的磁鐵反向，同名磁極正對，這樣磁場更弱.

實驗演示，霍爾電壓進一步減小.

教師

因此霍爾元件可以將實現哪個非電學量轉化為電學量.

學生

磁感應強度這個磁學量轉化為電壓這個電學量.

教師進一步引導，對如圖4所示電容式傳感器的工作原理的分析，體會理論探究的成功.

設計意圖

通過對傳感器工作原理的可行性論證并進行不完全歸納的過程，引發(fā)學生思維的拓展，引導學生提出轉化為不同電學量的科學問題.探尋不同傳感器原理可行的過程，是通過構造性的嘗試去摸索、挖掘電學特征的過程，讓學生從中體驗探究的創(chuàng)造性.在此過程中既能培養(yǎng)學生分析歸納和發(fā)現問題的能力，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力.理論推導和實驗驗證是科學規(guī)律、原理確認過程中相互依存、缺一不可的兩個方面.

4 教學體會與反思

實踐表明，基于“學習即研究”觀點的學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)物理課堂教學，要對學習問題從研究的視角進行詳細剖析，引導學生去探究問題，要讓學生在學習的過程中將科學研究的環(huán)節(jié)、方法、態(tài)度等元素建成一個整體性的物理學習系統.一方面，要構建真實的學習情境，激發(fā)主體的積極思維，秉持科學的研究路徑，采用邏輯的問題引導，引發(fā)質疑的研究評價，促進科學研究素養(yǎng)的發(fā)展；另一方面，要以知識為基礎，以能力為核心，以應用為導向，重視學生在真實情境中對知識的學習與應用，以學習、思維與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為突破口，實現學生各種核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展.基于“學習即研究”觀點的學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的課堂教學能為同行提供一種思路，我們也將為此不斷努力.

【基金項目：本文系江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度立項課題“新實驗體系下物理課堂開展深度學習的實踐研究”（課題編號：C-c/2021/02/158）的階段性成果】

參考文獻：

［1］吳敏，劉霽華．基于“學習即研究”觀點的核心素養(yǎng)培養(yǎng)策略［J］．物理教師，2018（11）：19-22.

［2］季正華，劉霽華．回歸研究本真 發(fā)展核心素養(yǎng) ［J］．物理教師，2020（8）：35-38.