S-3PBL科創(chuàng)教育模式下高中物理校本課程實(shí)踐研究

【摘 要】傳感器是現(xiàn)代科學(xué)的結(jié)晶，在課堂教學(xué)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在數(shù)字化環(huán)境下，根據(jù)新課標(biāo)中的核心素養(yǎng)要求，與科創(chuàng)教育聯(lián)系緊密的傳感器走進(jìn)中小學(xué)的科學(xué)課堂，是大勢(shì)所趨。本文主要對(duì)傳感器在高中物理校本課程教學(xué)中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討，緊密結(jié)合課內(nèi)教學(xué)，介紹依據(jù)S-3PBL-1科創(chuàng)教育模式來(lái)設(shè)計(jì)并嘗試實(shí)施的教學(xué)實(shí)例，并對(duì)整個(gè)教學(xué)研究過(guò)程進(jìn)行總結(jié)與反思，提出建議，為進(jìn)一步深入探討傳感器與中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的融合應(yīng)用提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】傳感器;科創(chuàng)教育;校本選修課程;融合

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）08-013-04

問(wèn)題的提出

近年來(lái)，“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”等新技術(shù)逐漸進(jìn)入中小學(xué)課堂，科創(chuàng)教育作為科學(xué)創(chuàng)新教育，也席卷全國(guó)[1]。信息技術(shù)在物理教學(xué)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，可以幫助我們建立物理模型、模擬仿真物理過(guò)程，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能。普適計(jì)算與泛在感知已經(jīng)成為核心素養(yǎng)的必要條件，計(jì)算不只是輔助手段，計(jì)算教育能夠提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)[2]。

傳感器是能夠?qū)⑺惺艿降奈锢砹浚ㄈ缌?、熱、光、電、聲等）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量（一般是電學(xué)量）的一類元件。根據(jù)科學(xué)課程新課標(biāo)的核心素養(yǎng)要求，傳感器作為計(jì)算手段之一，僅高中物理新教材中需要傳感器輔助采集、整理數(shù)據(jù)的演示實(shí)驗(yàn)就多達(dá)12個(gè)。但科學(xué)教學(xué)課時(shí)有限，高中作為初中的延續(xù)，“雙減”政策也影響到了高中課程安排，因此急需基于傳感器等課堂教學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建校本課程。本文依據(jù)北京師范大學(xué)項(xiàng)華教授提出的S-3PBL-1科創(chuàng)教育模式，以高中物理校本課程構(gòu)建為例，探索傳感器與中小學(xué)科學(xué)校本課程的教學(xué)融合。

“傳感器”校本課程實(shí)踐案例

1.教學(xué)方案

（1） 設(shè)計(jì)過(guò)程

查閱（文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)等）傳感器的種類、功能及其應(yīng)用。傳感器在探究課中的作用：通過(guò)設(shè)計(jì)并實(shí)施具體案例（研究熱敏電阻的阻值隨溫度的變化關(guān)系）探討傳感器如何在系列科創(chuàng)校本課程中發(fā)揮作用。

課程方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

（2）課程目標(biāo)與進(jìn)度安排

課程目標(biāo)：綜合物理、數(shù)學(xué)、信息科技等學(xué)科進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)多種學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生利用信息技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)方案，利用傳感器采集和處理數(shù)據(jù)等，鼓勵(lì)學(xué)生將信息技術(shù)運(yùn)用到物理學(xué)習(xí)中，提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力，幫助學(xué)生適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代的學(xué)習(xí)。

進(jìn)度安排：約需10課時(shí)完成系列校本課程學(xué)習(xí)。2課時(shí)查閱資料，認(rèn)識(shí)傳感器的種類和功能，學(xué)生根據(jù)自愿原則，2人一組;1課時(shí)提出研究?jī)?nèi)容，確定要研究的傳感器的主要敏感元件;2課時(shí)做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，包括理論準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備;1課時(shí)制定實(shí)驗(yàn)方案，充分利用傳感器和電腦等信息技術(shù)手段，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，能夠方便、準(zhǔn)確采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);2課時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并處理數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律;1課時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，查閱資料，確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論是否相符;1課時(shí)匯報(bào)成果，形成一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)

“傳感器”系列校本課程的教學(xué)過(guò)程主要依據(jù)S-3PBL-1科創(chuàng)教育模式[2]設(shè)計(jì)，主要采用基于問(wèn)題的非線性“拋錨式”教學(xué)結(jié)構(gòu)，具體課程教學(xué)模式如圖2所示。系列校本課程主要用到的信息技術(shù)設(shè)備有電腦和傳感器。教師要做到有效使用信息技術(shù)豐富教學(xué)途徑與形式，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)即創(chuàng)新教學(xué)方式，提升教學(xué)的效果和效率。

（1）提出研究主題：傳感器

現(xiàn)在生產(chǎn)、生活等離不開(kāi)傳感器，借助問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)：傳感器是什么？其工作原理是什么？有哪些種類？我們能識(shí)別和使用簡(jiǎn)單的傳感器嗎？能否利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究？

（2）形成小團(tuán)隊(duì)

學(xué)生兩人一組，根據(jù)高中教材中“傳感器”章節(jié)的學(xué)習(xí)，交流對(duì)傳感器的原理及應(yīng)用的理解。共同查閱資料，研究傳感器的種類、功能及其應(yīng)用，在1節(jié)課內(nèi)交流，具體方式不限，如圖書館資料、高中物理課本，也可以上網(wǎng)查找或請(qǐng)教專家。

在中學(xué)物理教學(xué)中用到的傳感器種類很多，可以分為力電、熱電、聲電、磁電、光電等傳感器。在力學(xué)部分有位移、加速度、力、光電門、聲音等傳感器，熱學(xué)部分有溫度、壓強(qiáng)等傳感器，電磁學(xué)部分有電荷、電流、電壓、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等傳感器，在光學(xué)、原子物理等部分也有一些傳感器。由于不同種類的傳感器中的主要部件不盡相同，所以采用的原理也各不一樣。將學(xué)生分組，分別查閱資料，了解各種傳感器的工作原理及其簡(jiǎn)單應(yīng)用。

例如，光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管;熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化的原理制成。電容傳感器的工作原理是：電容C跟介電常數(shù)成正比，跟正對(duì)面積S成正比，跟極板間的距離d成反比。分別改變S、d，可制成測(cè)高度的電容傳感器、測(cè)角度的電容傳感器、測(cè)壓力的電容傳感器、測(cè)位移的電容傳感器等。

大多數(shù)家用電器都用到了傳感器，組織學(xué)生查閱有關(guān)材料，了解傳感器的應(yīng)用。將學(xué)生分成幾組，分別負(fù)責(zé)查閱：電冰箱中的冷藏室傳感器和冰凍室傳感器（電子溫控設(shè)備），空調(diào)器中的傳感器（溫度傳感器），全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器（負(fù)荷傳感器、水位傳感器、光電傳感器和壓力傳感器）。

（3）提出問(wèn)題

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生針對(duì)某一傳感器提出要研究的課題，進(jìn)一步研究并利用傳感器完成探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生提出的問(wèn)題是多樣的，以其中一個(gè)課題為例：熱敏電阻的阻值怎樣隨溫度的變化而變化。

恒溫箱的原理簡(jiǎn)圖如圖3所示，箱內(nèi)有三個(gè)定值電阻R1、R2、R3。Rt為熱敏電阻，它的阻值隨溫度的變化而變化，由于熱敏電阻Rt的阻值變化可以引起a，b兩端電壓的變化，當(dāng)a，b兩端電壓Uab<0時(shí)，傳感器會(huì)令開(kāi)關(guān)K接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高;當(dāng)電壓Uab>0時(shí)，傳感器會(huì)令開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，恒溫箱內(nèi)的電熱絲停止加熱，使箱內(nèi)溫度降低。這樣恒溫箱的溫度能控制在某個(gè)值。

學(xué)生了解恒溫箱的工作原理后，提出問(wèn)題：熱敏電阻與溫度的定量關(guān)系是什么？

鼓勵(lì)學(xué)生小組討論，大膽提出假設(shè)。學(xué)生可能會(huì)提出很多的假設(shè)，最常見(jiàn)的三種假設(shè)為：R與T成反比，R與T2成反比，R與T成正比例函數(shù)，但斜率為負(fù)值等。

（4）微探究1

組內(nèi)討論，明確任務(wù)。根據(jù)問(wèn)題，選擇設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、理論論證（包括搜集材料），或同時(shí)采用理論論證和實(shí)驗(yàn)論證的計(jì)劃。組織部分學(xué)生進(jìn)一步查找并交流熱敏電阻的相關(guān)資料，包括如何制造熱敏電阻、熱敏電阻的特性、熱敏電阻的應(yīng)用。培訓(xùn)指導(dǎo)學(xué)生熟練使用計(jì)算機(jī)，會(huì)處理數(shù)據(jù)，比如數(shù)據(jù)擬合功能，以便學(xué)生快速找到數(shù)據(jù)的定量關(guān)系。購(gòu)買學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)所需的熱敏電阻（每組一個(gè)）。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，包括傳感器（溫度傳感器、電流/電壓傳感器）、各種接口（如USB、PowerLink等）及其說(shuō)明書，軟件已裝在電腦中。

（5）微設(shè)計(jì)

選擇合適器材，充分利用傳感器和計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)工具，通過(guò)“頭腦風(fēng)暴”優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，方便、準(zhǔn)確地采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，課后提交方案。

利用溫度傳感器測(cè)量熱敏電阻溫度：將熱敏電阻貼在溫度傳感器旁，一起放入冷水中，穩(wěn)定后即可測(cè)出熱敏電阻的溫度t。分多次向盛有涼水的燒杯中倒入熱水，以逐步改變熱敏電阻的溫度。

使用電壓傳感器和電流傳感器測(cè)熱敏電阻阻值（幾十至幾百歐姆）：電壓傳感器的阻值較大，一般在1MΩ左右，電流傳感器內(nèi)阻不超過(guò)10Ω，因此采用電流傳感器外接法，如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)方案不唯一，具有合理性即可，如測(cè)得電流、電壓的最大值是否超過(guò)電流、電壓傳感器的量程;這三個(gè)傳感器的分辨率是否符合要求;實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程設(shè)計(jì)是否合理;實(shí)驗(yàn)原理是否完善、如何改進(jìn)等。

（6）微探究2

進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，組裝實(shí)驗(yàn)儀器，采集不少于7組的數(shù)據(jù);處理數(shù)據(jù)尋找規(guī)律;評(píng)估實(shí)驗(yàn)：查閱資料，驗(yàn)證結(jié)果與理論是否相符。根據(jù)datastudio數(shù)據(jù)表（或Excel、MATLAB中），求出各溫度下的電阻;尋找R-t的關(guān)系：畫出電阻-溫度曲線，選擇均方誤差最小的擬合方式，使曲線最平滑，驗(yàn)證假設(shè)是否正確。如圖5，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而變小，但無(wú)法擬合出簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。

由于計(jì)算機(jī)能自動(dòng)識(shí)別電壓、電流、溫度傳感器的數(shù)據(jù)并記錄，不存在讀數(shù)誤差，所以給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大方便。

可引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生畫出R-1/T、lnR-1000/T等曲線（其中T是熱力學(xué)溫度），并擬合得到函數(shù)式，找出R與t間的定量函數(shù)關(guān)系。

（7）微展示

小組合作完成研究報(bào)告：課題研究過(guò)程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn);獲得的知識(shí)，能力的提高;任務(wù)安排的合理性;繼續(xù)研究的相關(guān)課題。

匯報(bào)課題研究情況，如收集到的重要信息，取得成果的經(jīng)驗(yàn)或失敗的教訓(xùn)。集思廣益、取長(zhǎng)補(bǔ)短。

（8）綜合評(píng)價(jià)

課程鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋，既發(fā)揮其獨(dú)立性，又培養(yǎng)小組合作精神。考慮探究的主要過(guò)程，根據(jù)學(xué)生自評(píng)、學(xué)生間的互評(píng)、教師評(píng)價(jià)、平時(shí)表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行本系列校本課程的綜合學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)，如表1所示。

3.教學(xué)總結(jié)

在內(nèi)容選取上，使用傳感器，實(shí)驗(yàn)讀數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確，重復(fù)性好;傳感器即插即用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但需選用三個(gè)傳感器同時(shí)顯示并記錄數(shù)據(jù)，需要至少兩臺(tái)電腦，有些學(xué)校條件不足。如圖6，和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，使用美國(guó)Pasport實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的傳感器能大大降低實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生有更多時(shí)間探索和創(chuàng)新。但學(xué)生需學(xué)會(huì)使用配套軟件，獨(dú)立探究的難度大，教師引導(dǎo)偏多。

學(xué)生普遍反映，在系列課程中均使用傳感器讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，重復(fù)性好;傳感器即插即用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。如使用美國(guó)Pasport實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)。傳感器基本接近理想器材，容易設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，不需考慮一些實(shí)驗(yàn)誤差，傳感器和計(jì)算機(jī)在幫助采集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，立即處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)得出規(guī)律，大大減少了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生有更多的時(shí)間探索和創(chuàng)新。

在教學(xué)環(huán)節(jié)上，依據(jù)S-3PBL-1科創(chuàng)教育模式，讓學(xué)生小組合作，自主選題并參與科學(xué)探究，進(jìn)行交流展示與綜合評(píng)價(jià)，能夠激發(fā)學(xué)生參與課堂的積極性，探究問(wèn)題的主動(dòng)性，幫助學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)研究方法，發(fā)展探究能力，增強(qiáng)創(chuàng)造性思維和能力，培養(yǎng)探究未知世界的積極態(tài)度。

結(jié)束語(yǔ)

傳感器一般有配套軟件，可自動(dòng)識(shí)別傳感，適時(shí)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪圖，有函數(shù)擬合等強(qiáng)大功能，給教學(xué)帶來(lái)了很大便利。在“傳感器”系列校本課程實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生普遍反映，由于傳感器即插即用，不用人工讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有很多時(shí)間去探索和創(chuàng)新。由學(xué)生提出要研究的課題，能夠有效激勵(lì)其進(jìn)行科學(xué)探究、交流展示。

探究學(xué)習(xí)、練習(xí)使用傳感器是未來(lái)人才的需求，傳感器與中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的融合將進(jìn)一步加深。課程建設(shè)是學(xué)校教育工作的核心內(nèi)容，即使不把傳感器作為課程構(gòu)建的主題，根據(jù)國(guó)家學(xué)科課程中的生長(zhǎng)點(diǎn)構(gòu)建科學(xué)校本課程時(shí)，依據(jù)S-3PBL科創(chuàng)教育模式把傳感器作為重要的實(shí)驗(yàn)器材，也可減少實(shí)驗(yàn)設(shè)置和準(zhǔn)備時(shí)間、讀數(shù)和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，有助于創(chuàng)新人才培養(yǎng)，把更多時(shí)間留給學(xué)生在科學(xué)探究中尋找規(guī)律、解決問(wèn)題，進(jìn)行更充分的交流與合作。

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作者單位：北京景山學(xué)校