高中項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在“傳感器的物理學(xué)探究”中的教學(xué)實(shí)踐

姜爽

傳感器擔(dān)負(fù)著信息的采集任務(wù)，它能夠?qū)ⅰ案惺堋钡降牧?、熱、電、光、聲等物理量，以?shù)字的形式直觀地表示出來，在物理學(xué)探究中發(fā)揮著重要作用。例如，將力信號轉(zhuǎn)換為電信號的力學(xué)傳感器，常應(yīng)用在牛頓運(yùn)動定律等高中力學(xué)實(shí)驗(yàn)中。此外，光電傳感器、熱學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器等在物理學(xué)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用中同樣也發(fā)揮著重要的作用。因此“傳感器的物理學(xué)探究”課程既為學(xué)生接觸數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測量儀器提供了平臺，又能讓學(xué)生有效實(shí)現(xiàn)物理學(xué)知識的深度學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目式教學(xué)是為了完成一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)活動，它最顯著的特點(diǎn)是以項(xiàng)目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，改變了以往教師講、學(xué)生聽的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。其目的是在課堂教學(xué)中把理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。

下面，筆者從課程的設(shè)計(jì)理念與預(yù)期、課程設(shè)計(jì)的架構(gòu)與實(shí)施，以及學(xué)生體驗(yàn)與成果等方面來闡述項(xiàng)目或?qū)W習(xí)在“傳感器的物理學(xué)探究”課程中的教學(xué)實(shí)踐。

課程的設(shè)計(jì)理念與預(yù)期

本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提高學(xué)生科學(xué)探究能力。通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，運(yùn)用傳感器技術(shù)，讓學(xué)生提出研究課題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論并作出解釋，最后對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思。這樣既增強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題能力，又培養(yǎng)和發(fā)展了學(xué)生的合作交流能力。

進(jìn)入高中階段以后，物理知識更加抽象，實(shí)驗(yàn)更加復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)儀器種類繁多，數(shù)據(jù)處理過程煩瑣。如何讓學(xué)生更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物理本質(zhì)？如何讓學(xué)生的猜想和假設(shè)有效地物化為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？傳感器作為直觀的數(shù)據(jù)測量儀器是一個(gè)很好的選擇。本課程的開設(shè)，讓學(xué)生更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物理本質(zhì)，既培養(yǎng)了學(xué)生的動手實(shí)踐能力，又加深了學(xué)生對物理學(xué)規(guī)律的理解與感悟。

在本課程教學(xué)中，學(xué)生自選研究課題主要圍繞高中階段最重要的物理規(guī)律展開，如動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律、動能定理等，學(xué)生既能將課堂中學(xué)到的物理概念與物理規(guī)律有效地應(yīng)用到項(xiàng)目實(shí)踐中來，又通過自主實(shí)驗(yàn)探究加深了對物理學(xué)規(guī)律的理解，這樣就彌補(bǔ)了現(xiàn)階段高中物理教學(xué)過程中因課程安排緊湊而無法進(jìn)行充分學(xué)生實(shí)驗(yàn)的遺憾，實(shí)現(xiàn)了將知識學(xué)習(xí)放到課外的“翻轉(zhuǎn)式課堂”效果，完成了對課堂時(shí)間的高效利用，培養(yǎng)和發(fā)展了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與知識遷移能力。

課程的設(shè)計(jì)架構(gòu)與實(shí)施

1.項(xiàng)目初期

首先，完成學(xué)生分組，每組3人，力圖使每一位學(xué)生都能參與到課程學(xué)習(xí)活動中，使學(xué)習(xí)過程成為人人參與的創(chuàng)造性實(shí)踐活動。其次，教師介紹并演示實(shí)驗(yàn)室常用的傳感器如力學(xué)傳感器、位移傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、光學(xué)傳感器、聲音傳感器、磁場傳感器等以及相應(yīng)數(shù)據(jù)采集器的使用方法。通過設(shè)計(jì)一些簡易的物理實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己動手操作，感知、掌握傳感器的基本原理、使用方法以及數(shù)據(jù)處理方法，包括圖像呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)擬合等。最后，教師以觀測彈簧振子的簡諧運(yùn)動為例介紹位移傳感器。

2.項(xiàng)目中期

首先，教師以中國知網(wǎng)為例，介紹使用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行文獻(xiàn)查閱的方法。學(xué)生通過鎖定關(guān)鍵詞，查閱參考文獻(xiàn)和相關(guān)資料，經(jīng)過小組集體研討，確定小組研究課題。接著，制訂工作計(jì)劃，包括制訂實(shí)驗(yàn)方案并確認(rèn)實(shí)驗(yàn)器材，明確小組成員分工，制作工作進(jìn)度表等。最后，學(xué)生圍繞本組研究課題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想。在本階段，學(xué)生會認(rèn)識到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究過程是一個(gè)反復(fù)試錯、不斷修訂實(shí)驗(yàn)方案的過程，甚至實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會與最初的猜想背道而馳，因此，能夠進(jìn)行合理的原因分析也是本課程的設(shè)計(jì)初衷之一。

3.項(xiàng)目后期

項(xiàng)目后期為研究成果的呈現(xiàn)與評價(jià)。一是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，各小組分別形成本組課題論文、展示海報(bào)以及課題匯報(bào)PPT，作為小組研究成果。為此，教師要向?qū)W生介紹研究性論文的行文規(guī)范以及展示海報(bào)的格式要求。研究成果的形成過程，也是學(xué)生的總結(jié)、反思與自我提高的過程。二是根據(jù)各組研究成果，采用多元化評價(jià)方式進(jìn)行成績評定。一方面，小組課題論文、展示海報(bào)等研究成果以及學(xué)生個(gè)人課堂表現(xiàn)由教師進(jìn)行評價(jià)。另一方面，課題匯報(bào)以辯論賽的形式由學(xué)生進(jìn)行評價(jià)，將學(xué)生分為展示組、挑戰(zhàn)組和評價(jià)組。各小組根據(jù)匯報(bào)順序，依次承擔(dān)展示組、挑戰(zhàn)組及評價(jià)組的角色。其中，展示組匯報(bào)本組研究課題和研究結(jié)果，并回應(yīng)挑戰(zhàn)組的提問，雙方就相關(guān)問題展開辯論。其余小組作為評價(jià)組，從PPT圖文編排、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、理論依據(jù)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、演講者表達(dá)與儀態(tài)儀容、問題回應(yīng)等多個(gè)維度對展示組進(jìn)行評價(jià)打分，同時(shí)根據(jù)挑戰(zhàn)組提出問題的質(zhì)量，對挑戰(zhàn)組進(jìn)行評價(jià)打分。通過辯論過程促進(jìn)學(xué)生對本組以及他組的探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度思考。

學(xué)生的體驗(yàn)與成果

本課程通過引入傳感器等現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題能力。

以學(xué)生課題“探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象”為例，為探究感應(yīng)電流與線圈匝數(shù)、線圈橫截面積以及強(qiáng)磁鐵下落速度的關(guān)系，該課題組設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，并采用電流傳感器、導(dǎo)線、線圈、減震海綿、強(qiáng)磁鐵、長直尺等實(shí)驗(yàn)器材。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性，該組學(xué)生采用了控制變量法，依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生經(jīng)過反復(fù)的考證與分析，認(rèn)為強(qiáng)磁鐵下落至減震海綿時(shí)會發(fā)生反彈現(xiàn)象，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差。為解決該問題，他們選用細(xì)沙代替海綿作為減震裝置，最終得到了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與法拉第電磁感應(yīng)定律一致。

綜上所述，“傳感器的物理學(xué)探究”項(xiàng)目式課程的開設(shè)是對高中物理課程的補(bǔ)充與深化，它不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，強(qiáng)化了學(xué)生獨(dú)立思考、自主探究的能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)作能力，有助于學(xué)生批判性思維的養(yǎng)成。本課程與普通高中物理課程互為補(bǔ)充，完成了對課堂時(shí)間的高效利用。