高中“傳感器”教學(xué)重難點(diǎn)突破的探究*

楊曉燕 王華強(qiáng) 蔡武德

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

2017版高中課程方案規(guī)定[1],關(guān)注學(xué)生多元發(fā)展，設(shè)計(jì)具有多樣性與選擇性的選修課程．課程標(biāo)準(zhǔn)對人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-2》第六章第1節(jié)的要求并不高，具體要求如下．

教學(xué)重點(diǎn)：

(1)通過實(shí)驗(yàn)觀察與分析常見傳感器的特性及工作原理；

(2)知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的技術(shù)意義．

教學(xué)難點(diǎn)：

通過實(shí)驗(yàn)探究常見傳感器的敏感元件的工作特性．

這節(jié)講的只是一些原理，沒有什么難以理解的東西，更沒有定量的計(jì)算．搞好該節(jié)教學(xué)的關(guān)鍵是多做實(shí)驗(yàn)[2]．演示實(shí)驗(yàn)將成為落實(shí)重點(diǎn)和突破難點(diǎn)的重要教學(xué)手段，也是體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)和凸顯科學(xué)探究的必要方式[3]．

1 重視新課引入的教學(xué)設(shè)計(jì)

優(yōu)化課堂：從生活中最常用的“鍵盤”出發(fā)，創(chuàng)設(shè)物理情境；吸引學(xué)生的眼球，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到課堂中來，點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高課堂活力，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲；與現(xiàn)代科技有較好的聯(lián)系．

實(shí)驗(yàn)演示過程：如圖1所示，打開激光投影鍵盤，通過藍(lán)牙連接到電腦，打開一個(gè)空白界面(或短信)，隨機(jī)選取一位勇敢的學(xué)生，像平時(shí)打字一樣輸入文字，能看見文字出現(xiàn)在界面上，演示成功，如圖2所示．

圖1 激光投影鍵盤

圖2 演示鍵盤輸入文字

效果分析：如圖1所示，體積小得像“打火機(jī)”的鍵盤，往往能一下子就吸引學(xué)生的注意力；如圖2所示，學(xué)生自告奮勇地上臺(tái)演示激光鍵盤輸入文字的過程，不再被動(dòng)式學(xué)習(xí)；導(dǎo)入新穎，符合本節(jié)主題；設(shè)置懸念，在學(xué)生集中注意力的時(shí)候，引入新課．

2 重視師生對演示實(shí)驗(yàn)的拓展

2.1 鍛煉教師的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力

教材情況[4]：如圖3所示．

圖3 干簧管演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)拓展設(shè)計(jì)：設(shè)置了基于干簧管的裝置，將教材中的負(fù)載換成較大的風(fēng)車，如圖4所示．風(fēng)扇背面安裝了干簧管，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，會(huì)使兩個(gè)簧片由于磁化而被吸合在一起，如圖4(b)、(c)所示．它們共同組成了能感應(yīng)磁場的開關(guān)，也就是把磁場轉(zhuǎn)換為電路的通斷．

以魔術(shù)的形式來演示實(shí)驗(yàn)，操作簡便，現(xiàn)象直觀，吸引學(xué)生的目光，引發(fā)學(xué)生的好奇心，大大提高了上課的效率．

圖4 神奇的“開關(guān)”

實(shí)驗(yàn)演示過程：手指戴上一個(gè)戒指狀磁鐵，慢慢靠近風(fēng)車裝置，風(fēng)車開始轉(zhuǎn)動(dòng)，靠的越近，轉(zhuǎn)動(dòng)得越快．手指遠(yuǎn)離風(fēng)車裝置，風(fēng)車則慢慢停止轉(zhuǎn)動(dòng)．請一位學(xué)生上臺(tái)，模仿老師的動(dòng)作，風(fēng)車不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，演示完畢．抓準(zhǔn)時(shí)機(jī)提問，老師的手真的有魔力嗎？解釋原理．

效果分析：設(shè)計(jì)了風(fēng)車裝置，更貼近生活，可視性較好；材料成本低，操作方便，效果明顯，尤其“魔術(shù)演示”集中學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

2.2 激發(fā)學(xué)生豐富的想象力促使學(xué)生用心體會(huì)生活

優(yōu)化后提問：我們生活中有許多報(bào)警器，同學(xué)們能不能利用今天所學(xué)的干簧管的知識(shí)和老師提供的材料，以小組為單位設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡易的水位報(bào)警器？(要求：當(dāng)水位達(dá)到預(yù)警水位時(shí)，它能自動(dòng)報(bào)警．)

選取一個(gè)小組展示作品，如圖5所示．

圖5 水位報(bào)警器

效果分析：聯(lián)系生活，讓學(xué)生感覺到書本上的內(nèi)容是可以靈活運(yùn)用到生活中的．靈活地運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)習(xí)的內(nèi)容制作教具，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

3 重視實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究

3.1 探究光敏電阻的特性

教材情況[4]：如圖6所示．

圖6 觀察光敏電阻的特性

實(shí)驗(yàn)拓展設(shè)計(jì)：如圖7(a)和(b)所示，不再是單一的一個(gè)元件的測量，而是把光敏電阻加入到電路中，并在設(shè)計(jì)中加入了蜂鳴器和高亮LED燈．為了形成鮮明的對照組，制作了兩個(gè)光敏報(bào)警裝置，如圖7(c)所示．

圖7 光敏報(bào)警裝置

自制的“同屏光傳感器”，如圖8(a)和(b)所示，操作方便，效果明顯，成功解決歐姆表可視性較差的問題，能讓更多的學(xué)生清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

圖8 同屏“光傳感器”

實(shí)驗(yàn)演示過程：如圖7(a)、(b)所示，這是一臺(tái)簡易的光敏報(bào)警裝置，它由一個(gè)小燈泡通過導(dǎo)線連著蜂鳴器、光敏電阻、定值電阻和三極管．實(shí)驗(yàn)前，分別打開裝置1和裝置2的開關(guān)，檢查電路，觀察小燈泡是否發(fā)亮和蜂鳴器是否發(fā)聲，確保電路正常工作．如圖7(c)所示，給裝置1一個(gè)有光環(huán)境，裝置2一個(gè)暗環(huán)境，讓學(xué)生們仔細(xì)觀察它們的不同之處，并進(jìn)行交流，演示完畢．

讓學(xué)生小組合作，參照教材上的演示實(shí)驗(yàn)，探究光敏電阻的特性．

提問：你們是以小組為單位，分工合作填寫完的表格，但是老師只有一個(gè)人，又要改變光照強(qiáng)度又要測光敏電阻的阻值，怎么辦呢？所以，老師自制了一個(gè)傳感器(無線同屏傳感器)，如圖8所示．它可以采集光敏電阻的阻值，為了方便觀看，設(shè)計(jì)了兩塊屏幕，并將它們同屏顯示,如圖8(a)所示；反之，如果有投影展示平臺(tái)則如圖8(b)所示．

效果分析：改善了歐姆表數(shù)據(jù)可視性差的問題，解決了實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、耗時(shí)、實(shí)驗(yàn)效率不高等問題；使學(xué)生協(xié)同運(yùn)用多種感官(視覺、聽覺)進(jìn)行觀察；兩個(gè)裝置形成鮮明的對照組，比較容易引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法來探究實(shí)驗(yàn)，用此裝置做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)變量只有光照強(qiáng)度一個(gè)，不會(huì)產(chǎn)生其他外在因素的影響；方便移動(dòng)，材料成本低，可多次循環(huán)使用．

3.2 探究熱敏電阻特性

教材情況[4]：將多用電表調(diào)到電阻擋上(注意選擇適當(dāng)?shù)谋堵?，然后仿照圖6所示的方法，將一只熱敏電阻連接到多用電表的兩端．分別用手和冷水改變熱敏電阻的溫度，觀察電阻值的變化情況．

實(shí)驗(yàn)拓展設(shè)計(jì)：如圖9(a)所示，設(shè)計(jì)了3臺(tái)熱敏風(fēng)車裝置，引導(dǎo)學(xué)生想到運(yùn)用控制變量法，選擇用不同的溫度進(jìn)行加熱；如圖9(b)所示，將熱敏電阻加入到電路中，放在風(fēng)車背部，操作部分與演示部分設(shè)計(jì)是分離開的，教師對熱敏電阻加熱時(shí)操作方便，學(xué)生觀察時(shí)也不易遮擋視線；如圖10所示，避免了歐姆表量程倍率的選擇問題，熱敏風(fēng)車裝置與 “無線終端串口屏”組合成“同屏溫度傳感器”．

圖9 熱敏風(fēng)車裝置

圖10 同屏溫度傳感器

提問：我們可否用類比光敏電阻的方法，研究熱敏電阻呢？研究光敏電阻的光照強(qiáng)度和電阻之間的關(guān)系是通過改變光照強(qiáng)度的不同，那現(xiàn)在要想研究熱敏電阻的熱和電阻之間的關(guān)系，要通過改變什么的不同？(熱的不同)．熱在物理上指的是？(溫度)．

實(shí)驗(yàn)演示過程：如圖9所示，現(xiàn)同時(shí)用不同的溫度對3個(gè)熱敏電阻進(jìn)行加熱，可以觀察到，裝置1置于常溫中時(shí)，風(fēng)扇不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，裝置2用火焰的內(nèi)焰加熱時(shí)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)了，裝置3用火焰的外焰加熱時(shí)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)了，并且風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)得比裝置2更快．

引導(dǎo)學(xué)生把“熱敏風(fēng)車裝置”與 “無線同屏器”組合起來——“無線同屏溫度傳感器”，如圖10所示．用溫度傳感器測熱敏電阻的阻值，用萬用表測熱敏電阻的溫度，記錄數(shù)據(jù)，總結(jié)．

效果分析：設(shè)計(jì)3臺(tái)熱敏風(fēng)車裝置，用不同的溫度去加熱，形成鮮明的對比，可以明顯地看到3個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速不同，控制了實(shí)驗(yàn)變量只有溫度一個(gè)；用類比法，很好地將舊知識(shí)遷移到了新知識(shí)上；萬用表和熱傳感器顯示屏上的數(shù)值可以直接看出熱敏電阻隨溫度的變化情況；用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出結(jié)論，而不是硬生生地讓學(xué)生死記硬背．

4 總結(jié)

通過課堂優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)拓展設(shè)計(jì)及“無線同屏傳感器”的優(yōu)越性，讓學(xué)生了解非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義．在剛學(xué)了光敏電阻特性的基礎(chǔ)上，利用“自制熱敏風(fēng)扇裝置”，引導(dǎo)學(xué)生用類比光敏電阻的方法對熱敏電阻的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，這樣的設(shè)計(jì)力求做到環(huán)環(huán)相扣，突破教學(xué)重難點(diǎn)，大大提升教學(xué)效果，同時(shí)期望培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，努力做到以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)．