基于STEM理論的“傳感器工作原理及應用”教學設計

王思齊

西南大學教師教育學院，重慶 400715

1 引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出21世紀更需要跨學科、復合型人才。分科教學會導致學生只掌握各學科的內(nèi)容，卻缺乏將各學科知識整合起來的能力。而現(xiàn)實生活中的問題具有復雜性、不確定性和綜合性。只用某一門學科的知識很難解決實際問題，所以在教學中需要針對這一問題作出新的變革。

STEM教育由美國學者在1986年提出后，很快傳播至全球多個國家。2015年9月教育部辦公廳印發(fā)的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》首次提及探索“STEAM”教育。2016年6月教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出，要積極探索信息技術(shù)在STEAM中的應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力?；赟TEM教育理念的教學已經(jīng)成為一大熱門。本文以培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力并完成相應高中課標要求為目的，致力于將STEM教育理念融入物理課堂中，并進行教學設計。

2 探究型STEM教育的教學模式建構(gòu)

STEM教育的核心是將科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四門學科進行有機整合，以培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。教師在將STEM理念運用于課堂教學時，應該針對不同類型的課程選擇相應的教學模式。本研究針對探究型課程，在已有研究的基礎上，結(jié)合高中物理的教學特點設計了如圖1所示的STEM教學應用模式。

圖1 探究型STEM教學應用模式

探究型STEM教學應用模式分為4個環(huán)節(jié)。第一個環(huán)節(jié)是“探究生活中的物理”，其設計意圖為調(diào)動學生的學習興趣，讓學生感受生活與物理連接的緊密性，培養(yǎng)其提出問題和獨立思考的能力。第二個環(huán)節(jié)是“進行探究實驗并分析總結(jié)”，其設計意圖為通過探究性實驗的學習和研究，展示學生的研究思路和才能，讓學生體會物理實驗的魅力進而獲得物理知識。第三個環(huán)節(jié)是“基于教師補充的物理知識，驅(qū)動學生解決工程問題”：學生在進行工程設計時會遇到許多跨學科的問題，這一環(huán)節(jié)能鍛煉其創(chuàng)新能力并提高將各學科知識整合起來的能力。第四個環(huán)節(jié)是“進行工程制作，優(yōu)化方案”：在制作過程中，不僅能鍛煉學生的團隊合作能力，還能培養(yǎng)其解決實際問題的綜合能力。此應用模式從生活中的物理出發(fā)，引導學生圍繞物理問題展開探究型學習并習得相關知識，最終通過運用知識進行工程制作，達到知識升華的目的。此外，在整堂教學設計中融入科學、技術(shù)、工程和數(shù)學，從而培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決實際問題的能力。

3 基于探究型STEM教學應用模式的教學設計

以“傳感器工作原理及應用”為例，按照上述模式進行教學設計。

通過一系列教學環(huán)節(jié)讓學生將所學知識整合到自己的認知結(jié)構(gòu)之中，從而實現(xiàn)深度學習，取得更好的教學效果。因此，從學生的角度設計了本節(jié)課的教學目標及對應的教學環(huán)節(jié)。

本節(jié)內(nèi)容選自人教版高中物理選擇性必修二第五章第二節(jié)“常見傳感器的工作原理與應用”。

“通過實驗，了解常見傳感器的工作原理。會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。了解光敏傳感器及其在生產(chǎn)生活中的應用”。

傳感器廣泛應用于現(xiàn)代生產(chǎn)、生活和國防科技中，但學生對此卻知之甚少。大部分高中生學習完光敏電阻后，只機械記憶了光敏電阻阻值變化與光照的關系，對于光敏電阻的具體應用沒有進一步的了解。然而，高中二年級的學生處于思維活躍、喜歡觀察和思考的階段，具有強烈的探究世界的動機，所以可通過一系列教學環(huán)節(jié)引導學生主動參與。按照探究型STEM教學應用模式的四個步驟，將科學、技術(shù)、工程和數(shù)學等元素融入課堂，以提高學生的綜合素質(zhì)和解決實際問題的能力。

具體內(nèi)容如表1所示。

表1 學習目標與STEM學習目標

（一）探究生活中的物理

教師活動：教師展示生活中的光控路燈。教師介紹，當天色暗到一定程度時，光控路燈產(chǎn)生感應，進而控制電路點亮路燈，為夜晚路上的車和行人照明；當天亮到一定程度時，光控路燈再次產(chǎn)生感應并斷開電路，燈熄滅。光控路燈如此“智能”的原因是路燈內(nèi)部某一裝置能夠感應光照并將光照強度區(qū)分為一個范圍內(nèi)的數(shù)值，當數(shù)值低于某值（根據(jù)當?shù)厍闆r自行設定），路燈就會被點亮，反之路燈熄滅。在這復雜的原理背后，有一個小小元件起著非常重要的作用——光敏電阻。教師向?qū)W生展示光敏電阻：把硫化鎘涂敷在絕緣板上，再用銀漿在其表面涂敷兩個互不相連的梳狀電極，這樣就制成了一個光敏電阻。由于硫化鎘的電阻率與所受光照的強度有關，所以當光敏電阻表面所受光照強度不同時，其電阻也不同。

學生對光敏電阻的阻值大小與光照強度之間的關系產(chǎn)生了強烈好奇心后，讓他們根據(jù)已有實驗儀器設計實驗方案。

實驗儀器：兩節(jié)干電池、導線若干（帶金屬夾）、光敏電阻、面包板、開關若干、小燈泡以及二極管。

學生活動：在教師引導下，學生將探究光敏電阻阻值與光照的關系實驗步驟分成以下幾步（表2）并得出具體電路圖（圖2）。

表2 探究光敏電阻阻值與光照關系實驗步驟分解

圖2 電路圖1

STEM設計意圖：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的情景性以及設計性。從日常生活入手，新穎的智能路燈更容易激起學生的好奇心，產(chǎn)生探索的欲望，從而體會生活與物理的關系。在面對探究問題時，學生在教師引導下將問題分為幾個步驟進行解決，有利于提高學生的探究能力以及分析問題、解決問題的能力。在探究過程中學生利用了以往的科學知識，實現(xiàn)了STEM教育理念的融入。

（二）學生進行探究實驗并分析總結(jié)

學生設計出探究實驗的電路圖后，在教師的引導下小組動手進行組裝并開始實驗，具體操作步驟如表3所示。

表3 學生進行探究實驗的具體步驟

圖3 電路圖2

圖4 實驗電路板

STEM設計理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的協(xié)作性和體驗性。通過小組一起進行實驗、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、改進實驗等步驟，能讓學生在探究過程中發(fā)展協(xié)同合作、交流溝通的能力。引導學生自己設計實驗并動手進行操作，不僅能夠讓學生獲得結(jié)果性知識，也能獲得過程性知識，同時能運用物理和數(shù)學知識發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（三）教師補充物理知識，驅(qū)動學生解決工程問題

通過探究習得了光敏電阻阻值與光照變化的關系。接下來，為將物理與生活結(jié)合起來，使學生完成認知升級，布置學習任務：

在生活中有很多利用光控計數(shù)的地方，比如，生產(chǎn)流水線上的計數(shù)器、硬幣自動分類計數(shù)器等，后者在銀行里使用較為廣泛，機器可以將一堆硬幣分類收納并計數(shù)。請根據(jù)本節(jié)課所學知識，制作一個簡易的硬幣自動計數(shù)機，達到放入一枚硬幣進收納箱里，機器就能自動計數(shù)加一的目的。

僅靠學生目前掌握的知識不足以完成任務，教師應當對學生設計的工程計劃里不能完成的部分給予講解和幫助，也可以請信息技術(shù)老師參與課堂提供幫助。

師生開始討論梳理：放入一枚硬幣，示數(shù)就要加一，因此需要一個顯示屏；根據(jù)光敏電阻阻值變化特性，需讓硬幣進入時能改變光敏電阻周圍的光照情況，因此需要能識別電路中阻值變化的信號裝置。如此，便能使顯示屏的示數(shù)加一。在教師引導下，該思路細化為以下問題：

（1）硬幣下落如何改變光敏電阻阻值

要想改變光敏電阻阻值，則需改變光敏電阻周圍的光照情況。包括兩種情況：一是光敏電阻周圍是暗的，硬幣下落會使光敏電阻周圍變亮；二是光敏電阻周圍是亮的，硬幣下落會使光敏電阻周圍變暗。經(jīng)商討和模擬，選擇第二種情況。

（2）如何考慮自然光的影響

學生通過小實驗得知，自然光對實驗影響非常大。設計一個裝置外殼，將光敏電阻放在內(nèi)部。此外，為將光敏電阻處于一個較亮的環(huán)境，學生提出在裝置內(nèi)部放一個小燈泡提供光亮。由于只在需要的時候才會使用硬幣計數(shù)機，所以讓小燈泡連入一個有開關和電池的電路，方便控制燈泡的亮暗。

（3）如何讓硬幣進入硬幣收納盒

關于硬幣如何進入硬幣收納盒，學生有兩種想法：一是做一個斜的滑道，在滑道下端安裝光敏電阻，將硬幣沿斜道滑下落入硬幣收納盒；二是直接在光敏電阻旁開一大小合適的小方孔，直接將硬幣放入收納盒，要求硬幣正對光敏電阻下落。兩種方案暫定。

（4）如何讓示數(shù)器自動加一

為保證每落下一枚硬幣，示數(shù)就加一，于是要求光敏電阻與示數(shù)器、電源、開關組成一個電路，硬幣落下時會遮光從而短時間改變光敏電阻的阻值，進一步在電路中產(chǎn)生一個信號。顯示器識別這種信號后示數(shù)自動加一。其中涉及到使用單片機以及編碼的內(nèi)容，由信息技術(shù)老師提供幫助。

（5）如何設計裝置外殼

首先，學生考慮做成一個長方體狀的封閉裝置。關于做裝置的材料，學生考慮木板、硬紙板、薄金屬片等，這時教師介紹一種輕便且易加工的高密度泡沫板。然后，學生設計裝置長、寬、高的參數(shù)，加工其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時，為方便查看內(nèi)部電路連接情況。學生將上表面設計成一塊活動板。

學生在設計出初步方案后，將發(fā)現(xiàn)多個以目前的知識無法解決的問題。如需要一種裝置能識別電路中阻值變化的信號，進而使顯示屏的示數(shù)加一。這時物理老師及信息技術(shù)老師給學生一定的幫助：在學生已有的電路中添加一個繼電器和單片機，繼電器負責發(fā)出電流變化的信號，單片機則接收電流變化的信號，發(fā)出示數(shù)加一的指令，顯示屏接收指令就完成加一。

至此，學生就有了制作硬幣計數(shù)機的具體計劃。根據(jù)該計劃，硬幣計數(shù)機內(nèi)部可以分為兩個部分，每部分的原理及所需材料如表4所示。

表4 硬幣計數(shù)機原理與制作所需材料

STEM設計理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的協(xié)作性、跨學科性、設計性和趣味性。學生自主提出多種多樣的想法并進行溝通交流，得到合作意識的有效培養(yǎng)。設計硬幣計數(shù)器是個綜合型工程任務，不僅需要物理學科知識和電子方面的知識，還需要學生的設計能力與動手能力，計算裝置外殼的參數(shù)并動手制作，做到了科學、技術(shù)、工程、數(shù)學的融合，培養(yǎng)學生使用多學科的思維和知識解決實際問題的習慣與能力，真正做到STEM教育理念的融入。

（四）進行工程制作，優(yōu)化方案

學生自行安排人員分工，按照預先設計的方案進行工程制作。學生在制作過程中會遇到一些困難，比如，在焊接時不容易焊接成功；制作的裝置外殼不能很好遮光；裝置完成后丟硬幣進行實驗時，顯示屏變化不準確等等，需要通過交流討論、查閱資料以及咨詢老師等方式，不斷改進和優(yōu)化制作方案，最終形成學生的作品。此外，因為制作途中會涉及切割問題，要提醒學生注意安全。制作過程中所設計的相關模型如圖5—圖8所示。

圖5 硬幣計數(shù)機正面圖

圖6 硬幣計數(shù)機整體圖

圖7 硬幣計數(shù)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖8 硬幣計數(shù)機原理圖

最后，學生展示最終的成品。若條件允許，在后期還可以對工程任務進行升級，如制作可以分類硬幣的硬幣計數(shù)器、可以自動分類的硬幣計數(shù)器等。

STEM設計理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的體驗性、協(xié)作性、藝術(shù)性。在整個制作過程，學生親自動手進行操作，體驗動手的快樂與成就感，在學生共同制作裝置的時候，加入審美的要求。

四 結(jié) 語

通過對“傳感器工作原理及應用”進行STEM教學設計與實施后，得出以下結(jié)論和建議：

STEM教學設計有助于新課標中核心素養(yǎng)的落實。融入STEM理念的教學設計對學生的工程與技術(shù)素養(yǎng)提出了更高的要求，在解決工程技術(shù)問題的過程中，能夠培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、收集證據(jù)、進行解釋與交流的能力，也能潛移默化地培養(yǎng)學生的科學思維與良好的科學態(tài)度與責任。

STEM教學設計更能夠培養(yǎng)新時代所需要的復合型人才。由于STEM教育是科學、技術(shù)、工程與數(shù)學的整合，對學生的培養(yǎng)目標是多維度、多方面的，強調(diào)對實際問題的解決，能夠改善學校課堂與社會生活割離的現(xiàn)狀，進而促進跨學科、綜合型人才的培養(yǎng)。

教師需根據(jù)實際情況運用STEM教育理念進行個性化設計。近年來STEM教育在國內(nèi)外受到了廣泛關注，不免會出現(xiàn)對STEM教育理念進行生搬硬套的情況。然而，不根據(jù)具體的知識點與學生的情況強行將STEM教育理念加入教學設計里，不僅不能很好地讓學生完成認知建構(gòu)，還額外增大了學生的學習量，同時不符合“雙減”的大背景。所以，教師要在分析所教課題與STEM理論的適切度、學生情況等基礎上進行科學判斷，從而作出合理的決策。此外，教學實踐中還存在學生學業(yè)繁重、課外時間較少、知識儲備有限、動手能力與解決實際問題能力相對較弱等問題，所以在設計方案、進行工程設計時可能會遇到不同層面的困難。一方面，需要教師針對具體問題設計教學過程；另一方面，也可以在適當?shù)臅r機請相關專業(yè)人士走進課堂，打破物理只在學校里的窘境，將物理與生活、社會聯(lián)系起來。