基于STEM理論的“傳感器工作原理及應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)

王思齊

西南大學(xué)教師教育學(xué)院，重慶 400715

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出21世紀(jì)更需要跨學(xué)科、復(fù)合型人才。分科教學(xué)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生只掌握各學(xué)科的內(nèi)容，卻缺乏將各學(xué)科知識(shí)整合起來的能力。而現(xiàn)實(shí)生活中的問題具有復(fù)雜性、不確定性和綜合性。只用某一門學(xué)科的知識(shí)很難解決實(shí)際問題，所以在教學(xué)中需要針對(duì)這一問題作出新的變革。

STEM教育由美國(guó)學(xué)者在1986年提出后，很快傳播至全球多個(gè)國(guó)家。2015年9月教育部辦公廳印發(fā)的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》首次提及探索“STEAM”教育。2016年6月教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出，要積極探索信息技術(shù)在STEAM中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力。基于STEM教育理念的教學(xué)已經(jīng)成為一大熱門。本文以培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力并完成相應(yīng)高中課標(biāo)要求為目的，致力于將STEM教育理念融入物理課堂中，并進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 探究型STEM教育的教學(xué)模式建構(gòu)

STEM教育的核心是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科進(jìn)行有機(jī)整合，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。教師在將STEM理念運(yùn)用于課堂教學(xué)時(shí)，應(yīng)該針對(duì)不同類型的課程選擇相應(yīng)的教學(xué)模式。本研究針對(duì)探究型課程，在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高中物理的教學(xué)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了如圖1所示的STEM教學(xué)應(yīng)用模式。

圖1 探究型STEM教學(xué)應(yīng)用模式

探究型STEM教學(xué)應(yīng)用模式分為4個(gè)環(huán)節(jié)。第一個(gè)環(huán)節(jié)是“探究生活中的物理”，其設(shè)計(jì)意圖為調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生感受生活與物理連接的緊密性，培養(yǎng)其提出問題和獨(dú)立思考的能力。第二個(gè)環(huán)節(jié)是“進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)并分析總結(jié)”，其設(shè)計(jì)意圖為通過探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究，展示學(xué)生的研究思路和才能，讓學(xué)生體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的魅力進(jìn)而獲得物理知識(shí)。第三個(gè)環(huán)節(jié)是“基于教師補(bǔ)充的物理知識(shí)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生解決工程問題”：學(xué)生在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)遇到許多跨學(xué)科的問題，這一環(huán)節(jié)能鍛煉其創(chuàng)新能力并提高將各學(xué)科知識(shí)整合起來的能力。第四個(gè)環(huán)節(jié)是“進(jìn)行工程制作，優(yōu)化方案”：在制作過程中，不僅能鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，還能培養(yǎng)其解決實(shí)際問題的綜合能力。此應(yīng)用模式從生活中的物理出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生圍繞物理問題展開探究型學(xué)習(xí)并習(xí)得相關(guān)知識(shí)，最終通過運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行工程制作，達(dá)到知識(shí)升華的目的。此外，在整堂教學(xué)設(shè)計(jì)中融入科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決實(shí)際問題的能力。

3 基于探究型STEM教學(xué)應(yīng)用模式的教學(xué)設(shè)計(jì)

以“傳感器工作原理及應(yīng)用”為例，按照上述模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

通過一系列教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)整合到自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)之中，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，取得更好的教學(xué)效果。因此，從學(xué)生的角度設(shè)計(jì)了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)及對(duì)應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

本節(jié)內(nèi)容選自人教版高中物理選擇性必修二第五章第二節(jié)“常見傳感器的工作原理與應(yīng)用”。

“通過實(shí)驗(yàn)，了解常見傳感器的工作原理。會(huì)利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置。了解光敏傳感器及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用”。

傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)、生活和國(guó)防科技中，但學(xué)生對(duì)此卻知之甚少。大部分高中生學(xué)習(xí)完光敏電阻后，只機(jī)械記憶了光敏電阻阻值變化與光照的關(guān)系，對(duì)于光敏電阻的具體應(yīng)用沒有進(jìn)一步的了解。然而，高中二年級(jí)的學(xué)生處于思維活躍、喜歡觀察和思考的階段，具有強(qiáng)烈的探究世界的動(dòng)機(jī)，所以可通過一系列教學(xué)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與。按照探究型STEM教學(xué)應(yīng)用模式的四個(gè)步驟，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等元素融入課堂，以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決實(shí)際問題的能力。

具體內(nèi)容如表1所示。

表1 學(xué)習(xí)目標(biāo)與STEM學(xué)習(xí)目標(biāo)

（一）探究生活中的物理

教師活動(dòng)：教師展示生活中的光控路燈。教師介紹，當(dāng)天色暗到一定程度時(shí)，光控路燈產(chǎn)生感應(yīng)，進(jìn)而控制電路點(diǎn)亮路燈，為夜晚路上的車和行人照明；當(dāng)天亮到一定程度時(shí)，光控路燈再次產(chǎn)生感應(yīng)并斷開電路，燈熄滅。光控路燈如此“智能”的原因是路燈內(nèi)部某一裝置能夠感應(yīng)光照并將光照強(qiáng)度區(qū)分為一個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值，當(dāng)數(shù)值低于某值（根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r自行設(shè)定），路燈就會(huì)被點(diǎn)亮，反之路燈熄滅。在這復(fù)雜的原理背后，有一個(gè)小小元件起著非常重要的作用——光敏電阻。教師向?qū)W生展示光敏電阻：把硫化鎘涂敷在絕緣板上，再用銀漿在其表面涂敷兩個(gè)互不相連的梳狀電極，這樣就制成了一個(gè)光敏電阻。由于硫化鎘的電阻率與所受光照的強(qiáng)度有關(guān)，所以當(dāng)光敏電阻表面所受光照強(qiáng)度不同時(shí)，其電阻也不同。

學(xué)生對(duì)光敏電阻的阻值大小與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系產(chǎn)生了強(qiáng)烈好奇心后，讓他們根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)驗(yàn)儀器：兩節(jié)干電池、導(dǎo)線若干（帶金屬夾）、光敏電阻、面包板、開關(guān)若干、小燈泡以及二極管。

學(xué)生活動(dòng)：在教師引導(dǎo)下，學(xué)生將探究光敏電阻阻值與光照的關(guān)系實(shí)驗(yàn)步驟分成以下幾步（表2）并得出具體電路圖（圖2）。

表2 探究光敏電阻阻值與光照關(guān)系實(shí)驗(yàn)步驟分解

圖2 電路圖1

STEM設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的情景性以及設(shè)計(jì)性。從日常生活入手，新穎的智能路燈更容易激起學(xué)生的好奇心，產(chǎn)生探索的欲望，從而體會(huì)生活與物理的關(guān)系。在面對(duì)探究問題時(shí)，學(xué)生在教師引導(dǎo)下將問題分為幾個(gè)步驟進(jìn)行解決，有利于提高學(xué)生的探究能力以及分析問題、解決問題的能力。在探究過程中學(xué)生利用了以往的科學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了STEM教育理念的融入。

（二）學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)并分析總結(jié)

學(xué)生設(shè)計(jì)出探究實(shí)驗(yàn)的電路圖后，在教師的引導(dǎo)下小組動(dòng)手進(jìn)行組裝并開始實(shí)驗(yàn)，具體操作步驟如表3所示。

表3 學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的具體步驟

圖3 電路圖2

圖4 實(shí)驗(yàn)電路板

STEM設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的協(xié)作性和體驗(yàn)性。通過小組一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)等步驟，能讓學(xué)生在探究過程中發(fā)展協(xié)同合作、交流溝通的能力。引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并動(dòng)手進(jìn)行操作，不僅能夠讓學(xué)生獲得結(jié)果性知識(shí)，也能獲得過程性知識(shí)，同時(shí)能運(yùn)用物理和數(shù)學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（三）教師補(bǔ)充物理知識(shí)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生解決工程問題

通過探究習(xí)得了光敏電阻阻值與光照變化的關(guān)系。接下來，為將物理與生活結(jié)合起來，使學(xué)生完成認(rèn)知升級(jí)，布置學(xué)習(xí)任務(wù)：

在生活中有很多利用光控計(jì)數(shù)的地方，比如，生產(chǎn)流水線上的計(jì)數(shù)器、硬幣自動(dòng)分類計(jì)數(shù)器等，后者在銀行里使用較為廣泛，機(jī)器可以將一堆硬幣分類收納并計(jì)數(shù)。請(qǐng)根據(jù)本節(jié)課所學(xué)知識(shí)，制作一個(gè)簡(jiǎn)易的硬幣自動(dòng)計(jì)數(shù)機(jī)，達(dá)到放入一枚硬幣進(jìn)收納箱里，機(jī)器就能自動(dòng)計(jì)數(shù)加一的目的。

僅靠學(xué)生目前掌握的知識(shí)不足以完成任務(wù)，教師應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的工程計(jì)劃里不能完成的部分給予講解和幫助，也可以請(qǐng)信息技術(shù)老師參與課堂提供幫助。

師生開始討論梳理：放入一枚硬幣，示數(shù)就要加一，因此需要一個(gè)顯示屏；根據(jù)光敏電阻阻值變化特性，需讓硬幣進(jìn)入時(shí)能改變光敏電阻周圍的光照情況，因此需要能識(shí)別電路中阻值變化的信號(hào)裝置。如此，便能使顯示屏的示數(shù)加一。在教師引導(dǎo)下，該思路細(xì)化為以下問題：

（1）硬幣下落如何改變光敏電阻阻值

要想改變光敏電阻阻值，則需改變光敏電阻周圍的光照情況。包括兩種情況：一是光敏電阻周圍是暗的，硬幣下落會(huì)使光敏電阻周圍變亮；二是光敏電阻周圍是亮的，硬幣下落會(huì)使光敏電阻周圍變暗。經(jīng)商討和模擬，選擇第二種情況。

（2）如何考慮自然光的影響

學(xué)生通過小實(shí)驗(yàn)得知，自然光對(duì)實(shí)驗(yàn)影響非常大。設(shè)計(jì)一個(gè)裝置外殼，將光敏電阻放在內(nèi)部。此外，為將光敏電阻處于一個(gè)較亮的環(huán)境，學(xué)生提出在裝置內(nèi)部放一個(gè)小燈泡提供光亮。由于只在需要的時(shí)候才會(huì)使用硬幣計(jì)數(shù)機(jī)，所以讓小燈泡連入一個(gè)有開關(guān)和電池的電路，方便控制燈泡的亮暗。

（3）如何讓硬幣進(jìn)入硬幣收納盒

關(guān)于硬幣如何進(jìn)入硬幣收納盒，學(xué)生有兩種想法：一是做一個(gè)斜的滑道，在滑道下端安裝光敏電阻，將硬幣沿斜道滑下落入硬幣收納盒；二是直接在光敏電阻旁開一大小合適的小方孔，直接將硬幣放入收納盒，要求硬幣正對(duì)光敏電阻下落。兩種方案暫定。

（4）如何讓示數(shù)器自動(dòng)加一

為保證每落下一枚硬幣，示數(shù)就加一，于是要求光敏電阻與示數(shù)器、電源、開關(guān)組成一個(gè)電路，硬幣落下時(shí)會(huì)遮光從而短時(shí)間改變光敏電阻的阻值，進(jìn)一步在電路中產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。顯示器識(shí)別這種信號(hào)后示數(shù)自動(dòng)加一。其中涉及到使用單片機(jī)以及編碼的內(nèi)容，由信息技術(shù)老師提供幫助。

（5）如何設(shè)計(jì)裝置外殼

首先，學(xué)生考慮做成一個(gè)長(zhǎng)方體狀的封閉裝置。關(guān)于做裝置的材料，學(xué)生考慮木板、硬紙板、薄金屬片等，這時(shí)教師介紹一種輕便且易加工的高密度泡沫板。然后，學(xué)生設(shè)計(jì)裝置長(zhǎng)、寬、高的參數(shù)，加工其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為方便查看內(nèi)部電路連接情況。學(xué)生將上表面設(shè)計(jì)成一塊活動(dòng)板。

學(xué)生在設(shè)計(jì)出初步方案后，將發(fā)現(xiàn)多個(gè)以目前的知識(shí)無法解決的問題。如需要一種裝置能識(shí)別電路中阻值變化的信號(hào)，進(jìn)而使顯示屏的示數(shù)加一。這時(shí)物理老師及信息技術(shù)老師給學(xué)生一定的幫助：在學(xué)生已有的電路中添加一個(gè)繼電器和單片機(jī)，繼電器負(fù)責(zé)發(fā)出電流變化的信號(hào)，單片機(jī)則接收電流變化的信號(hào)，發(fā)出示數(shù)加一的指令，顯示屏接收指令就完成加一。

至此，學(xué)生就有了制作硬幣計(jì)數(shù)機(jī)的具體計(jì)劃。根據(jù)該計(jì)劃，硬幣計(jì)數(shù)機(jī)內(nèi)部可以分為兩個(gè)部分，每部分的原理及所需材料如表4所示。

表4 硬幣計(jì)數(shù)機(jī)原理與制作所需材料

STEM設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的協(xié)作性、跨學(xué)科性、設(shè)計(jì)性和趣味性。學(xué)生自主提出多種多樣的想法并進(jìn)行溝通交流，得到合作意識(shí)的有效培養(yǎng)。設(shè)計(jì)硬幣計(jì)數(shù)器是個(gè)綜合型工程任務(wù)，不僅需要物理學(xué)科知識(shí)和電子方面的知識(shí)，還需要學(xué)生的設(shè)計(jì)能力與動(dòng)手能力，計(jì)算裝置外殼的參數(shù)并動(dòng)手制作，做到了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的融合，培養(yǎng)學(xué)生使用多學(xué)科的思維和知識(shí)解決實(shí)際問題的習(xí)慣與能力，真正做到STEM教育理念的融入。

（四）進(jìn)行工程制作，優(yōu)化方案

學(xué)生自行安排人員分工，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行工程制作。學(xué)生在制作過程中會(huì)遇到一些困難，比如，在焊接時(shí)不容易焊接成功；制作的裝置外殼不能很好遮光；裝置完成后丟硬幣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，顯示屏變化不準(zhǔn)確等等，需要通過交流討論、查閱資料以及咨詢老師等方式，不斷改進(jìn)和優(yōu)化制作方案，最終形成學(xué)生的作品。此外，因?yàn)橹谱魍局袝?huì)涉及切割問題，要提醒學(xué)生注意安全。制作過程中所設(shè)計(jì)的相關(guān)模型如圖5—圖8所示。

圖5 硬幣計(jì)數(shù)機(jī)正面圖

圖6 硬幣計(jì)數(shù)機(jī)整體圖

圖7 硬幣計(jì)數(shù)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖8 硬幣計(jì)數(shù)機(jī)原理圖

最后，學(xué)生展示最終的成品。若條件允許，在后期還可以對(duì)工程任務(wù)進(jìn)行升級(jí)，如制作可以分類硬幣的硬幣計(jì)數(shù)器、可以自動(dòng)分類的硬幣計(jì)數(shù)器等。

STEM設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的體驗(yàn)性、協(xié)作性、藝術(shù)性。在整個(gè)制作過程，學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行操作，體驗(yàn)動(dòng)手的快樂與成就感，在學(xué)生共同制作裝置的時(shí)候，加入審美的要求。

四 結(jié) 語

通過對(duì)“傳感器工作原理及應(yīng)用”進(jìn)行STEM教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施后，得出以下結(jié)論和建議：

STEM教學(xué)設(shè)計(jì)有助于新課標(biāo)中核心素養(yǎng)的落實(shí)。融入STEM理念的教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生的工程與技術(shù)素養(yǎng)提出了更高的要求，在解決工程技術(shù)問題的過程中，能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、收集證據(jù)、進(jìn)行解釋與交流的能力，也能潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

STEM教學(xué)設(shè)計(jì)更能夠培養(yǎng)新時(shí)代所需要的復(fù)合型人才。由于STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的整合，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是多維度、多方面的，強(qiáng)調(diào)對(duì)實(shí)際問題的解決，能夠改善學(xué)校課堂與社會(huì)生活割離的現(xiàn)狀，進(jìn)而促進(jìn)跨學(xué)科、綜合型人才的培養(yǎng)。

教師需根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用STEM教育理念進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。近年來STEM教育在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注，不免會(huì)出現(xiàn)對(duì)STEM教育理念進(jìn)行生搬硬套的情況。然而，不根據(jù)具體的知識(shí)點(diǎn)與學(xué)生的情況強(qiáng)行將STEM教育理念加入教學(xué)設(shè)計(jì)里，不僅不能很好地讓學(xué)生完成認(rèn)知建構(gòu)，還額外增大了學(xué)生的學(xué)習(xí)量，同時(shí)不符合“雙減”的大背景。所以，教師要在分析所教課題與STEM理論的適切度、學(xué)生情況等基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)判斷，從而作出合理的決策。此外，教學(xué)實(shí)踐中還存在學(xué)生學(xué)業(yè)繁重、課外時(shí)間較少、知識(shí)儲(chǔ)備有限、動(dòng)手能力與解決實(shí)際問題能力相對(duì)較弱等問題，所以在設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)遇到不同層面的困難。一方面，需要教師針對(duì)具體問題設(shè)計(jì)教學(xué)過程；另一方面，也可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)請(qǐng)相關(guān)專業(yè)人士走進(jìn)課堂，打破物理只在學(xué)校里的窘境，將物理與生活、社會(huì)聯(lián)系起來。