基于6E設計型學習模式的物理實驗教學

楊斯杰 高永偉 南亞亞 何婧

摘? ?要：為了探索高中物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展模式，文章將6E設計型學習模式與現(xiàn)行高中物理課程結合起來，并以高中物理教材中的“光控開關”為例，設置真實的技術及工程問題——“制作光控路燈”。這種教學模式促使學生經(jīng)歷參與、探索、解釋、工程、深化和評價過程，可以提高他們的問題解決能力、動手實踐能力和科技創(chuàng)新能力，有利于學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展和STEM理念在教學中的有效融合。

關鍵詞：6E設計型學習模式;光控路燈;太陽能;傳感器;實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）12-0060-4

2014年，美國國際技術與工程教育學會提出落實STEM教育的活動模式——6E設計型學習模式，該模式主要包括參與（engage）、探索（explore）、解釋（explain）、工程（engineer）、深化（enrich）和評價（evaluate）[1]。6E設計型學習模式在5E教學模式的基礎上加入了“工程”的概念，強調(diào)實踐在學生學習中的重要性，突出學生在物理情境中動手操作的主動性與積極性。2019年人教版高中物理教材將傳感器內(nèi)容放在電磁感應、交流電流與電磁振蕩和電磁波之后，學生系統(tǒng)地學習了基礎知識之后，認識到傳感器在社會生活中的應用，將知識與實際應用聯(lián)系起來。讓學生運用所學知識設計制作簡單光控路燈模型，充分體現(xiàn)了科學、技術、工程與數(shù)學在教學中的結合。

1? ? 教學目標

在知識層面上，以物理學科的“光控開關”為主體知識，加入“太陽能”相關知識及應用。通過光敏電阻工作原理促進學生對傳感器的進一步認識，讓學生了解太陽能轉換為電能的基本知識，并利用二極管及三極管的原理設計、制作模型，從而強化知識與實際應用之間的聯(lián)系。

在技術層面上，首先設計利用光敏電阻控制路燈發(fā)光的模型，根據(jù)二極管和三極管基本原理完成設計，并通過小組合作的形式完成系統(tǒng)制作;然后根據(jù)太陽能發(fā)電的基本知識設計用太陽能板控制路燈發(fā)光的模型，小組合作完成設計與制作;最后根據(jù)制作成果分析技術上的優(yōu)缺點。

在工程層面上，學生通過團隊協(xié)作解決在實驗制作過程中遇到的各種問題，掌握各類電子元器件的基本原理，并能夠根據(jù)實際情況將所學知識應用到實際操作中，加深對知識的理解。

在數(shù)學層面上，主要是設計并畫出電路圖，根據(jù)電路選擇符合規(guī)格的實驗器材，通過器材的規(guī)格型號判斷實驗中出現(xiàn)的問題并解決。實驗中，數(shù)學更多的是作為一種分析工具，學生通過對數(shù)學的應用來提高數(shù)學思維以及數(shù)學應用能力。

2? ? 教學過程

2.1? ? 參與（engage）——創(chuàng)設情境，激發(fā)好奇

參與階段的目的在于通過課程導入激發(fā)學生的探究興趣，創(chuàng)設以學生生活中已有的經(jīng)驗為基礎、聯(lián)系生活實際的物理情境，引發(fā)學生思考，使學生將認知中已有知識經(jīng)驗與問題情境聯(lián)系起來，激發(fā)學生的好奇心，明確接下來的學習任務。

【情境導入】 講述路燈的發(fā)展史，結合我國科技發(fā)展，聯(lián)系生活實例，展示路燈圖片。引導學生回憶思考生活中所看到的路燈是何時發(fā)光的，是什么控制發(fā)光的。提出問題：路燈是如何做到天暗沉后自動發(fā)光？學生在之前已經(jīng)學過傳感器及能量轉換的相關知識，聯(lián)系已有知識經(jīng)驗思考問題，在頭腦中明確本節(jié)課的學習任務。

2.2? ? 探索（explore）——科學知識，探究設計

探索階段主要以學生為主體，教師起引導作用。即教師通過引導幫助學生建構知識、掌握方法技巧，給學生提供親身體驗的機會與條件，使學生積極主動地投入到探究活動中。學習路燈模型制作的相關知識，引導鼓勵學生通過小組合作概括知識、設計模型。

【知識回顧】引導學生回顧光敏電阻及太陽能的相關知識，并對光敏電阻的特性進行探索。準備一個光敏電阻，一個多用電表，測量觀察在室內(nèi)、遮光和陽光直射三種情形下電阻的大小，結果如圖1所示。由測量結果可得，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值會不斷減小，進而通過電阻元件的電流會相應增大。

【查閱資料】 給學生提供相關資料，學生通過查閱資料獲得關于發(fā)光二極管、三極管及光控路燈的相關知識。

發(fā)光二極管是一種電-光轉換器件，能將電信號轉換成光信號，在電路中必須正接才能工作。同時，電流越大，光信號越強。三極管是一種具有放大功能的半導體器件，其三個電極分別稱為集電極（用c表示）、基極（用b表示）和發(fā)射極（用e表示）[2]。單獨一個三極管無法正常工作，在電路中需要為三極管各極提供電壓，讓它內(nèi)部產(chǎn)生電流時才具有放大作用。三極管的類型與狀態(tài)分別如表1、表2所示。

光控路燈的開關由光照強度控制，光照較強時，自動熄滅，光照較暗時，自動開啟。利用光照強度的傳感器中最常見的為光敏電阻，但其工作電流很微弱，不能直接驅動執(zhí)行機構工作。因此，需要配置一定的放大電路實現(xiàn)控制功能，就需要三極管配合實現(xiàn)電流放大。

【探究設計】 根據(jù)回顧及查閱相關的基本知識，先觀察分析所給的實驗器材（導線若干，面包板，電池，三極管Q，發(fā)光二極管LED，色環(huán)電阻R，光敏電阻RL，開關S），然后選擇合適的器材，再利用已掌握的知識，討論設計實驗方案。最后，畫出電路圖（圖2）。

2.3? ? 解釋（explain）——展示交流，知識總結

解釋階段中，教師組織學生運用已經(jīng)掌握的概念和原理解釋設計方案，分享自己的設計方案與存在的問題。討論交流后，教師糾正學生的錯誤，幫助學生逐步完善設計方案。

【展示交流】 學生分享本小組的設計方案，展示設計電路圖并解釋設計原理，提出設計過程中遇到的問題。交流設計思想，學習別人設計中的優(yōu)點，解決自己存在的問題。

【知識總結】 在實際過程中，學生往往粗略地進行一些設計，忽略了實驗是一個嚴謹?shù)倪^程。教師可根據(jù)學生的實際情況，幫助他們總結制作過程的注意事項：

（1）在接發(fā)光二極管時注意二極管方向，二極管長的一邊為正，短的一邊為負。

（2）色環(huán)電阻讀數(shù)，除金、銀分別代表5%和10%的誤差外，其他顏色代表不同的數(shù)字，對應關系如表3所示，色環(huán)電阻讀數(shù)方式如圖3所示。

（3）連接時注意分清三極管方向。利用多用電表判斷三極管的三個極性（圖4）。將多用電表調(diào)至電阻擋，先用紅表筆接在三極管的一個腳上，再用黑表筆去碰另外兩個腳。如果兩次都導通，則紅表筆所接的就是三極管的基極;如果沒找到，就換另外的腳再次進行測試;若兩次測出阻值都很小，則三極管為PNP型;若測得阻值均很大，則三極管為NPN型。兩腳與基極測出的兩組數(shù)據(jù)中，數(shù)值小一點時黑表筆所接的腳為集電極，另外一個腳則為發(fā)射極。

學生根據(jù)教師提出的注意事項，改正設計中的問題，完善本小組的設計方案。

2.4? ? 工程（engineer）——工程制作，展示交流

工程階段是6E學習模式的核心階段，該階段的目的是把探究實驗與工程設計聯(lián)系起來，將理論知識應用于實際生產(chǎn)生活中。在教學設計中要以“工程”為核心內(nèi)容。

【工程制作】 各小組根據(jù)自己的實驗設計方案進行操作，用已給出的實驗器材，按照設計的電路圖進行連接，完成自己的工程設計。觀察實驗現(xiàn)象，看實際現(xiàn)象是否與設計時的猜想一致。

由于室內(nèi)光線較亮，二極管不發(fā)光。線路連接完成后，當用手擋住光敏電阻或把實驗裝置移到光線較暗的環(huán)境中時，二極管自動發(fā)光。工程制作成果如圖5所示。

【展示交流】 各小組完成制作后，展示自己的作品，交流制作的心得體會。小組之間互相評價，完成分發(fā)的評價表。

2.5? ? 深化（enrich）——深化問題，拓展延伸

深化階段是引導學生在已掌握知識的基礎上進行深化探索，老師提出新的問題，一方面引導學生深入思考，實現(xiàn)知識技能的遷移;一方面引導學生深入學習，加深對知識的理解與應用。

【深化拓展】 2021年全國兩會上的《政府工作報告》對能源行業(yè)在2021年及“十四五”時期的重點工作提出了明確要求，清潔、低碳、安全、高效等關鍵詞貫穿始終[3]。習近平總書記曾指出“光伏發(fā)電扶貧，一舉兩得，既扶了貧，又發(fā)展了新能源，要加大支持力度”[4]。在實際生活中，光控路燈除了用光敏電阻進行控制外，還可用太陽能來完成。

【知識遷移】 給學生提供實驗器材（太陽能板、蓄電池E、導線、開關S、發(fā)光二極管LED、三極管Q、電阻R、面包板），設計利用太陽能控制電路的裝置，使電路采用太陽能供電。學生通過查閱資料了解到當三極管基極輸入電壓為低電平時，發(fā)射極與集電極反向偏置，三極管工作為截止狀態(tài)，三極管斷開;基極輸入電壓為高電平時，三極管迅速飽和導通，集電極輸出為低電平[5]。

在教師指導下，學生設計電路圖（圖6）。白天，太陽能板電壓大于0.7 V時，三極管Q1基極電壓就會大于0.6 V，三極管Q1導通，三極管Q2關閉，此時發(fā)光二極管的回路切斷并熄滅;晚上，太陽能板電壓小于0.7 V時，通過電阻分壓，三極管Q1的基極電壓就會小于0.6 V，三極管Q1截止，三極管Q2導通，發(fā)光二極管的回路接通并發(fā)光。

本次制作接入了太陽能板和蓄電池，如圖7所示，當裝置放在光線充足的環(huán)境中時，太陽能板把太陽能轉化為電能，儲存在蓄電池中;光線較暗時，蓄電池給電路供電，二極管發(fā)光實現(xiàn)夜間照明。

老師在上述任務完成之后引導學生思考除太陽能外還有什么能源能夠發(fā)電。

2.6? ? 評價（evaluate）——評價測試，共同進步

評價階段是教師依據(jù)評價標準，通過合理的評價方式來確定學習者是否獲得知識，檢測學習效果。

【測試評價】 教師對每個小組及每一個學生的探究與制作過程打分評價，并分發(fā)評價表給學生，讓學生互相評價，并針對本次設計實踐過程進行自我評價。綜合教師、同學以及學生的自評分，得出每一位學生的最終成績。

3? ? 總? 結

基于6E設計型學習模式的物理實驗教學，主要圍繞六個項目完成，以生活真實情境進行教學，六個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)緊扣。以光控路燈為切入點，從傳感器中的光敏電阻及能源發(fā)展中的太陽能入手，學習各類電子元件的理論知識及應用。結合生活中的實際應用，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)，促進學生全面發(fā)展。在設計該實驗的過程中，深刻感受到設置教學情境與進行科學探究的重要性。受實驗器材與實驗操作的影響，實驗過程中容易出現(xiàn)失誤，需要學生親歷探究過程，與老師一起解決探究過程中出現(xiàn)的問題，從而幫助學生形成科學思維習慣，增強科學探究能力。

參考文獻：

[1]Burke B.N.The ITEEA 6E Learning By Design TM Model： Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom [J]. Technology & Engineering Teacher，2014，73（6）：14-19.

[2]蔡杏山. 電子元器件知識與實踐課堂[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2017：112.

[3]王怡. 制定更積極新能源發(fā)展目標? 加快推動碳達峰、碳中和[N]. 中國電力報，2021-03-10（001）.

[4]謝文川，伍夢堯. 領跑全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展? 推進清潔低碳轉型[N]. 中國電力報，2021-01-13（001）.

[5]黃淑圓.淺談開關三極管的原理及應用[J].機電信息，2015（21）：36-37.

（欄目編輯? ? 賈偉堯）