融入“學(xué)習(xí)即研究”觀念的核心素養(yǎng)培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐

【摘要】本文以“常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用”教學(xué)為例，探討了用研究的觀點(diǎn)構(gòu)建課堂，培養(yǎng)學(xué)生課題研究的能力，在發(fā)展學(xué)生推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度等方面的價(jià)值，從而為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)提供了一種新的思路．

【關(guān)鍵詞】學(xué)習(xí)即研究；核心素養(yǎng)；科學(xué)思維

1 問(wèn)題的提出

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.作為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，物理學(xué)科核心素養(yǎng)的貫徹和落實(shí)是物理教育工作者面臨的重要課題.

2 “學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)

科學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì)是研究，學(xué)習(xí)者就是研究者，學(xué)習(xí)過(guò)程就是研究過(guò)程［1］．“學(xué)習(xí)即研究”是回歸學(xué)習(xí)本質(zhì)，用科學(xué)研究的方法引導(dǎo)學(xué)習(xí)［2］.依據(jù)課題研究的過(guò)程來(lái)組織學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程則需要經(jīng)歷課題研究的必要性分析、可行性論證、實(shí)踐性體驗(yàn)、創(chuàng)新性探索等研究的一般過(guò)程，這為優(yōu)化核心素養(yǎng)導(dǎo)向課堂教學(xué)提供了一條新的思路.

3 融入“學(xué)習(xí)即研究”觀念的教學(xué)實(shí)踐

本文以人教版高中物理選擇性必修2“常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用”一節(jié)的教學(xué)為例，從認(rèn)識(shí)傳感器、探究傳感器、感悟傳感器、賞析傳感器四個(gè)方面，探討如何在融入“學(xué)習(xí)即研究”觀念的物理課堂教學(xué)中形成物理觀念，開(kāi)展科學(xué)探究，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度，把物理核心素養(yǎng)的理念和要求落實(shí)到實(shí)際教學(xué)中去.

3.1 認(rèn)識(shí)傳感器的概念：在研究的必要性分析中引入物理觀念

魔術(shù)：“魔術(shù)手”操控改裝的玩具小汽車(chē)（“干簧管”與小汽車(chē)開(kāi)關(guān)并聯(lián)）.

教師

玩具小汽車(chē)電源已經(jīng)被關(guān)閉，老師沒(méi)有接觸開(kāi)關(guān)為啥能讓它啟動(dòng)起來(lái)呢？請(qǐng)一位同學(xué)上臺(tái)嘗試.

學(xué)生

上臺(tái)嘗試（失?。?，并表示不解（產(chǎn)生疑問(wèn)）.

學(xué)生

老師手上有遙控.

教師

被你猜對(duì)了（展示手中的“小磁鐵”）.小磁鐵為什么能讓玩具汽車(chē)啟動(dòng)呢？

學(xué)生

電磁感應(yīng).

教師

是嗎？（演示：讓小磁鐵與玩具汽車(chē)的相對(duì)位置保持不變）

學(xué)生

不是（進(jìn)一步產(chǎn)生疑問(wèn)）.

教師

其實(shí)，玩具汽車(chē)被老師加裝了一個(gè)叫“干簧管”的元件.它的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只是玻璃管內(nèi)封入兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片.當(dāng)磁體靠近“干簧管”時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化而接通，起到了開(kāi)關(guān)的作用（展示玩具小汽車(chē)改裝的示意電路圖）.

（學(xué)生分組觀察“干簧管”的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)看、聽(tīng)體驗(yàn)“干簧管”的工作過(guò)程）

教師

“干簧管”是一種能夠感知磁場(chǎng)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(xué)生

溫度、壓力、聲音.

教師

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

教師

感知（感覺(jué)、知覺(jué)）、轉(zhuǎn)化（反應(yīng)），這類(lèi)似于什么？

學(xué)生

類(lèi)似于人體器官能夠感知聽(tīng)到、看到、觸到……等信息并將其轉(zhuǎn)化為刺激信號(hào)傳輸給神經(jīng)中樞處理.

教師

請(qǐng)舉例說(shuō)明生活中所見(jiàn)到的傳感器.

學(xué)生

感應(yīng)自動(dòng)門(mén)、樓道感應(yīng)燈、鍵盤(pán)、手機(jī)…….

教師

（繼續(xù)舉例：酒精檢測(cè)、雷達(dá)測(cè)速、感應(yīng)水龍頭）學(xué)習(xí)就是一種研究，研究首先需要考慮課題研究的必要性.請(qǐng)討論：為什么要通過(guò)傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量？

（學(xué)生分組討論）

學(xué)生

如果把非電學(xué)量轉(zhuǎn)為電學(xué)量，就可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制.

教師

非常好.這就是傳感器的技術(shù)意義，傳感器既是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活自動(dòng)化和智能化的必備元件，也是人類(lèi)拓展感官的重要元件.

設(shè)計(jì)意圖

利用“干簧管能感知磁場(chǎng)”的特性，演示“魔術(shù)手啟動(dòng)汽車(chē)”實(shí)驗(yàn).利用現(xiàn)象沖突，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還激發(fā)了學(xué)生的求知欲.再結(jié)合認(rèn)知原理、操作體驗(yàn)的設(shè)計(jì)符合從情境到問(wèn)題、從現(xiàn)象到解釋、從體驗(yàn)到認(rèn)知的一般學(xué)習(xí)過(guò)程.具有代表性的傳感器的圖片展示，讓學(xué)生快速、清晰地形成物理概念，并實(shí)現(xiàn)感性的認(rèn)識(shí).

3.2 探究傳感器的原理：在研究的可行性論證中滲入科學(xué)思維

非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量傳感器在生活中是很有必要的，自然對(duì)轉(zhuǎn)化原理的科學(xué)分析、可行性論證是學(xué)習(xí)與研究的重要步驟.實(shí)驗(yàn)演示樓道聲光控?zé)舻墓ぷ鬟^(guò)程，讓學(xué)生觀察燈座并找出其中的敏感元件.學(xué)生提出光敏電阻的阻值隨光照變化的猜想，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)光敏電阻的阻值變小的結(jié)論.教師接下來(lái)進(jìn)行教學(xué)引導(dǎo)：

教師

金屬能夠?qū)щ娛且驗(yàn)榻饘僦杏泻芏嗫梢宰杂梢苿?dòng)的電子.那半導(dǎo)體為什么能夠?qū)щ娔兀?/p>

學(xué)生

疑惑.

教師

下面以半導(dǎo)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(yùn)動(dòng)或其他原因，其中有極少數(shù)自由電子.這樣原來(lái)地方就留下了一個(gè)空位，稱(chēng)為“空穴”，空穴相當(dāng)于一個(gè)正電荷.當(dāng)這個(gè)空穴由附近原子中的電子來(lái)填補(bǔ)時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)新的空穴，相當(dāng)于空穴在移動(dòng).自由電子和空穴都叫做載流子.

在建立半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理的微觀模型之后，教師設(shè)問(wèn)：

教師

請(qǐng)解釋光照增強(qiáng)時(shí)光敏電阻的阻值如何變化？

學(xué)生

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成了更多的空穴，于是導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng).

除了對(duì)光敏感的元件外，還有對(duì)溫度敏感的元件——熱敏電阻.通過(guò)教師引導(dǎo)，讓學(xué)生了解熱敏電阻的工作原理分析論證過(guò)程.

教師

熱敏電阻也是由半導(dǎo)體材料制成，由此你們能得到什么猜想？

學(xué)生

隨著溫度的升高，熱敏電阻的阻值變小.（學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想.）

教師

如何解釋呢？

學(xué)生

熱敏電阻溫度升高時(shí)會(huì)有更多的自由電子和空穴導(dǎo)電，載流子增多，導(dǎo)電能力增強(qiáng).

評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)推理準(zhǔn)確和學(xué)以致用后，再引發(fā)學(xué)生思考：

教師

隨著溫度的升高，金屬導(dǎo)體的電阻會(huì)如何變化？有什么依據(jù)？

學(xué)生

增大，小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)可以說(shuō)明這一點(diǎn).

教師

這是由實(shí)驗(yàn)間接得到的結(jié)論.能否直接直觀地得到這個(gè)結(jié)論呢？

學(xué)生

（討論）小燈泡加熱，測(cè)量其電阻.

設(shè)計(jì)意圖

讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)形成對(duì)光敏電阻特性的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)“為什么阻值會(huì)隨光照增強(qiáng)而減小”的認(rèn)知疑惑.道而弗牽，學(xué)生構(gòu)建半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理微觀模型后，迅速成了問(wèn)題解決主體，自主進(jìn)行科學(xué)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(xué)生科學(xué)推理的意識(shí)，塑造學(xué)生科學(xué)探究的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生遷移創(chuàng)新的能力.

3.3 感悟傳感器的啟迪：在研究的實(shí)踐性體驗(yàn)中深入科學(xué)探究

（1）理性分析，提出問(wèn)題

科學(xué)研究的過(guò)程離不開(kāi)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(shí)現(xiàn)研究的目標(biāo).學(xué)習(xí)過(guò)程也是不斷反思總結(jié)與在學(xué)習(xí)提升的過(guò)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(lái)理清一下思路.光敏電阻、熱敏電阻為什么能將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量？

學(xué)生

因?yàn)楣饷綦娮琛崦綦娮璧碾娮枳柚禃?huì)隨光照、溫度發(fā)生變化.

教師

換句話(huà)說(shuō)，如果這些元件的電學(xué)量——電阻，沒(méi)有對(duì)光照、溫度敏感的特性，它們將不能設(shè)計(jì)成相應(yīng)的傳感器.電學(xué)量除了電阻還有……

學(xué)生

電流I、電壓U、電容C

教師

電容C與哪個(gè)元件有關(guān)？

學(xué)生

電容器.

教師

哪些非電學(xué)量會(huì)影響平行板電容器電容呢？電容器可以設(shè)計(jì)為傳感器嗎？

學(xué)生

兩極板的間距、正對(duì)面積、極板間的電解質(zhì)，可以設(shè)計(jì)為傳感器.

教師

哪些元件影響到電學(xué)量電壓U呢？不妨回憶磁場(chǎng)中所學(xué)到的元件？

學(xué)生

霍爾元件.

教師

請(qǐng)同學(xué)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(dǎo)，形成證據(jù)

教師給出霍爾元件的工作過(guò)程的示意圖，學(xué)生自主分析：霍爾電壓產(chǎn)生的微觀機(jī)理與霍爾電壓的推導(dǎo)過(guò)程.

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解釋交流

如圖3所示為霍爾效應(yīng)演示儀.教師在介紹工作電路后，操作演示：打開(kāi)電源，電壓表有示數(shù)為負(fù)值（根據(jù)需要先調(diào)試好）.

教師

為什么是負(fù)值？需要怎么調(diào)整？

學(xué)生

電流方向確定，電壓表接線(xiàn)正確，施加的磁場(chǎng)方向反了.

教師

試一下（改變磁場(chǎng)方向），非常好（電壓示數(shù)為正）.增大電阻，電壓示數(shù)為啥變?。?/p>

學(xué)生

前面理論推導(dǎo)，霍爾電壓與通過(guò)元件的電流成正比.增大電路中電阻，通過(guò)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(chǎng)呢？

學(xué)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(xué)生

將剛才的磁鐵反向，同名磁極正對(duì)，這樣磁場(chǎng)更弱.

實(shí)驗(yàn)演示，霍爾電壓進(jìn)一步減小.

教師

因此霍爾元件可以將實(shí)現(xiàn)哪個(gè)非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量.

學(xué)生

磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量.

教師進(jìn)一步引導(dǎo)，對(duì)如圖4所示電容式傳感器的工作原理的分析，體會(huì)理論探究的成功.

設(shè)計(jì)意圖

通過(guò)對(duì)傳感器工作原理的可行性論證并進(jìn)行不完全歸納的過(guò)程，引發(fā)學(xué)生思維的拓展，引導(dǎo)學(xué)生提出轉(zhuǎn)化為不同電學(xué)量的科學(xué)問(wèn)題.探尋不同傳感器原理可行的過(guò)程，是通過(guò)構(gòu)造性的嘗試去摸索、挖掘電學(xué)特征的過(guò)程，讓學(xué)生從中體驗(yàn)探究的創(chuàng)造性.在此過(guò)程中既能培養(yǎng)學(xué)生分析歸納和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力.理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是科學(xué)規(guī)律、原理確認(rèn)過(guò)程中相互依存、缺一不可的兩個(gè)方面.

4 教學(xué)體會(huì)與反思

實(shí)踐表明，基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)物理課堂教學(xué)，要對(duì)學(xué)習(xí)問(wèn)題從研究的視角進(jìn)行詳細(xì)剖析，引導(dǎo)學(xué)生去探究問(wèn)題，要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中將科學(xué)研究的環(huán)節(jié)、方法、態(tài)度等元素建成一個(gè)整體性的物理學(xué)習(xí)系統(tǒng).一方面，要構(gòu)建真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)主體的積極思維，秉持科學(xué)的研究路徑，采用邏輯的問(wèn)題引導(dǎo)，引發(fā)質(zhì)疑的研究評(píng)價(jià)，促進(jìn)科學(xué)研究素養(yǎng)的發(fā)展；另一方面，要以知識(shí)為基礎(chǔ)，以能力為核心，以應(yīng)用為導(dǎo)向，重視學(xué)生在真實(shí)情境中對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，以學(xué)習(xí)、思維與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為突破口，實(shí)現(xiàn)學(xué)生各種核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展.基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的課堂教學(xué)能為同行提供一種思路，我們也將為此不斷努力.

【基金項(xiàng)目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“新實(shí)驗(yàn)體系下物理課堂開(kāi)展深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：C-c/2021/02/158）的階段性成果】

參考文獻(xiàn)：

［1］吳敏，劉霽華．基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)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.