基于知識發生過程的高中物理單元闖關教學設計

摘 要：基于知識發生過程的高中物理單元教學，要求教師在單元整體教學指引下揭示知識的本質、順序與聯系。將“力傳感器”作為一個教學單元，把力傳感器的技術意義、工作原理、實際應用三大模塊根據知識發生過程的路徑進行整體教學設計，并以闖關模式（感知關、探究關、應用關、反思關）實現學習內容的銜接與遞進。

關鍵詞：知識發生過程；高中物理；單元教學；闖關教學；傳感器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0093-4

知識發生過程的教學就是教師引導學生揭示知識發生的前提或原因，從知識的起始位置開始感受知識形成的過程，明確知識擴充的經過以及向前拓展的方向，簡單地講，就是再現知識的來龍去脈，揭示知識的本質、順序與聯系［１］。單元教學設計是針對一章或一個專題的內容，將備課的重點從單個知識點的傳授轉向有意識地引導學生梳理知識之間的關聯，感受概念和規律的意義，感知物理思想方法在科學研究過程中的作用，體會物理學的本質［２］。基于知識發生過程的高中物理單元教學要求教師在整體思維指引下，精心設計教學內容，引導學生在重演、再現知識發生過程的活動中內化前人發現知識的方法與能力，從而形成探究新知識、獲取新知識、運用新知識的本領，彰顯學科育人價值。

《普通高中物理課程標準（２０１７ 年版２０２０年修訂）》［３］對“傳感器”的內容要求有“１．知道非電學量轉換成電學量的技術意義。２．通過實驗，了解常見傳感器的工作原理。３．列舉傳感器在生產生活中的應用。建議：調查生產生活中傳感器的應用，分析某一種傳感器的工作原理。”據此，將“力傳感器”作為教學單元，把力傳感器的技術意義、工作原理、實際應用三大模塊壓縮成一課時內容，并根據知識發生過程的路徑進行單元整體教學設計，并以闖關模式（感知關、探究關、應用關、反思關）實現學習內容的銜接與遞進。

1 設計思路

本課的教學對象是高二年級學生，高二學生雖然已經做了很多關于傳感器的題目，但是，未曾深入研究過真實的傳感器。對于高二學生而言，傳感器是新奇有趣的，但是分析和應用傳感器相關知識時卻存在一定的困難。以知識發生過程為路徑展開的“力傳感器”教學將會全面梳理傳感器相關知識點，有效整合課程內容，提升教學效率，而闖關模式的加入，更能激發高二學生的學習興趣，從而達到培養學生高階思維、提升關鍵能力的目的。

基于物理學科核心素養，確立教學目標（表１）。根據教學目標，確立本課教學設計的重點是力傳感器的工作原理及應用，難點是利用力傳感器設計簡單的自動控制裝置。教學流程如表２所示。

2 實施路徑

本課利用闖關模式的感知關、探究關、應用關、反思關實現學習內容的銜接與遞進，具體的闖關方式如下：以學習小組為單位，每完成一項闖關任務，即可獲得闖關金幣一枚。一枚金幣可用于“組外求助”，兩枚金幣可用于“解鎖新道具”，三枚金幣可獲得“通關禮包”。

2.1 感知關：觀察使用生活中的力傳感器裝置，了解傳感器的技術意義

活動１ 學生分組觀察和使用生活中常見的力傳感器裝置（圖1），知道力傳感器是把力這個非電學量轉變為電學量的裝置，進而了解傳感器的定義和將非電學量轉換成電學量的技術意義。

闖tEyFhKzdTR1FphLdR5ISjxjXOiMwTGkIXueIe2UIfO4=關設計 在課堂開始時，讓學生小組推薦組內一名握力最大的學生，各小組的“大力士”在講臺上應用電子握力器同臺比較握力大小，班上握力最大的學生所在的小組獲得闖關金幣一枚。

2.2 探究關：分析力傳感器核心部件的工作架構，了解傳感器的工作原理

活動２ “應變式力傳感元件”是力傳感器的核心部件，學生從敏感元件、轉換元件、轉換電路三個部分（圖2）去分析應變式力傳感元件的工作原理架構，進一步理解力傳感器將非電學量“力”轉變為電學量“電壓差值”的工作原理［４］。

闖關設計 在學生學習和理解敏感元件（電阻應變片）和轉換元件（由金屬梁和應變片組成）的工作原理后，引出轉換電路是由四個電阻應變片組成的電橋電路，初始電阻值均為ｘ０。引導學生應用高中物理知識在組內探究分析轉換電路的電路結構和工作原理，并在“當彈性梁右端受到外力作用，四個應變片電阻變化量的絕對值均為Δｘ時，求解Ａ、Ｂ兩端電壓ＵＡＢ的定量表達式”闖關任務中開展小組間的競賽，順利完成任務的小組獲得闖關金幣一枚。

2.3 應用關：利用力傳感器來測量物體質量，并設計簡單自動控制裝置

活動３ 學生設計一個利用應變式力電傳感器來測量物體質量的裝置。學生在理解應變式力電傳感器（輸出電壓正比于受壓面的壓力）的原理后，利用組內的實驗器材（力電轉換器、待測物體、質量為ｍ０的砝碼、電壓表、滑動變阻器、電池、開關及導線若干）設計電路圖和測量公式，測量待測物體（置于力電轉換器的受壓面上）的質量。

闖關設計 首先，學生在組內通過問題鏈的方式深入理解應變式力電傳感器的工作原理：①應變式力電轉換器的輸入端、輸出端和受壓面相對應的物理量是什么？②當力電轉換器空載時，輸入端通入電流Ｉ后的輸出電壓為多少？③輸入電流Ｉ保持恒定，在力電轉換器的受壓面上放一質量為ｍ的物體，則輸出電壓Ｕ０與物體質量ｍ的數學關系式是什么？④若增大輸入電流Ｉ，輸出電壓Ｕ會如何變化？比例系數ｋ也會變化嗎？

接著，學生完成應用力傳感器測量待測物體質量的電路設計，使放置已知質量砝碼時力電轉換器的輸出電壓可調，且調節范圍盡可能大。學生完成“畫出完整電路圖”的闖關任務一，展示小組設計電路圖（圖3），并在小組間進行討論和修正。能順利完成闖關任務一的小組獲得闖關金幣一枚。

然后，學生根據問題鏈設計實驗方案，完成“定量計算力傳感器輸出電壓正比于受壓面壓力的比例系數ｋ，并測量待測物體質量ｍ”的闖關任務二：①開始時，將滑動變阻器的滑片置于什么位置？②閉合開關，分別將質量為ｍ０的砝碼和待測物體放在受壓面上，調節滑動變阻器的滑片，使電壓表的指針偏轉在合理的區間。接著記下質量為ｍ０的砝碼對應的電壓表示數Ｕ０，則比例系數ｋ為多少？③為了測出待測物體的質量ｍ，接下來該如何操作？能順利完成闖關任務二的小組，獲得闖關金幣一枚。

最后，利用闖關金幣解鎖新元件——電壓在１ Ｖ以上時才會發光的發光二極管。學生開始闖關任務三：在電路的適當位置中連接發光二極管，并在調節電路后，在受壓面放上質量為２０ ｇ的物體時，恰能使發光二極管發光。能順利完成闖關任務三的小組，獲得闖關金幣一枚。

2.4 反思關：學生自我總結全課內容，反思全課使用到的關鍵物理知識

活動４ 學生從力傳感器的工作原理、實際應用和自動控制裝置三大方面來總結全課內容和知識，反思全課使用到的關鍵物理知識。通過解析生產生活中力傳感器的應用（圖4），讓學生理解傳感器的原理、傳感器應用給人們帶來的便利性以及它的經濟效益與社會效益。

闖關設計 學生以小組為單位進行全課內容總結，并利用所學知識解釋生產生活中力傳感器應用的原理。能較好地完成闖關任務的小組獲得闖關金幣一枚。最后，統計各個小組的金幣數量，頒發通關獎勵。

3 總結與反思

以力傳感器作為一個教學單元進行教學設計，是重組教材內容的創新性嘗試。本課例經過多次教學實踐和探討后，有以下的教學總結和反思。

3.1 傳感器作為新高考新教材的重要內容，在平時教學中易被忽視

《普通高中物理課程標準（２０１７ 年版２０２０年修訂）》提到，“要重視數字實驗，創新實驗方式。數字實驗室系統是利用傳感器、數據采集器等收集實驗數據，用計算機軟件分析實驗數據、得出實驗結果的現代化實驗系統。數字實驗是教育信息化發展的需要，更是學生創新能力培養的重要方式和手段”。可見，傳感器是新高考新教材的重要內容。但經調查訪談發現，傳感器的相關知識在以往的教學中常常被一筆帶過，學生對這一塊內容沒有引起足夠的重視，也對教材上關于傳感器的內容掌握不深。同時，越來越多的高考題都涉及到傳感器的相關知識。因此，教師對傳感器進行深入研究是非常有必要的。

3.2 基于知識發生過程的高中物理單元教學能有效建構知識內容體系

以力傳感器作為一個教學單元，并按照知識發生過程的順序進行教學設計，再現力傳感器工作原理及應用的來龍去脈，揭示生產生活中力傳感器裝置工作原理的本質、順序與聯系，有效建構學生的力傳感器知識內容體系，能讓學生從知識的本質和源頭出發，不斷擴充力傳感器的知識內容，進一步完善學生的物理知識體系和解決問題的方法體系。

3.3 課堂教學的闖關環節能有效提升物理課堂的趣味

闖關教學模式指向未來，體現“做中學、玩中學”思想，融合了大概念、主題式、情境式、問題式、探究式、體驗式等多種教學方法，是一種基于診斷和融合的教學模式，能有效提升物理課堂的趣味。學生經歷感知關、探究關、應用關、反思關的學習過程也是人類認識事物不斷進階的一般過程，一節課的闖關終點又是后續學習的起點。闖關教學模式是一種螺旋式上升的進階教學，既指外顯的知識教學的螺旋式上升，也包含內隱的核心素養的螺旋式上升［５］。

參考文獻：

［１］熊志權，卞紅，黃海寧．創新物理教研模式，高質量實施普通高中新課程新教材——以廣東省基礎教育高中物理教研基地項目（珠海）為例［Ｊ］．廣東教育（綜合版），２０２３（７）：４１－４３．

［２］劉娜，崔琰，李春密．指向深度學習的高中物理單元教學設計——以“萬有引力定律”為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２２，４０（９）：３０－３３．

［３］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０.

［４］王從戎，馬明娟，陳婷，等．傳感器技術在物理實驗中的應用［Ｊ］．池州學院學報，２０１８，３２（６）：４２－４４．

［５］余耿華，謝桂英，許桂清，等．指向科學思維提升的中學物理闖關教學模式構建與實施［Ｊ］．中學物理，２０２３，４１（３）：３３－３８．

（欄目編輯 李富強）