核心素养导向下的高中物理创新实验设计

张景媛 潘丹丹 郭秋洁 郑勤红

摘  要：针对高中物理选择性必修2中“传感器”这一章节的教学地位始终处于弱势的教学现状，将低成本且简单开源的Arduino单片机引入传感器教学，设计以提高学生物理核心素养为目标的Arduino传感器实验教学案例，贯彻落实课程标准中的内容要求和目标要求。将教学过程设计为情境导入、新课教学、学以致用、多方评价四个阶段，教学内容和实验项目适合于高中学生；教学过程中注重物理知识和实验原理的介绍，通过该案例教学，学生运用物理知识分析解决实际问题的能力以及他们的物理核心素养均能得到提高。

关键词：核心素养；实验设计；传感器；Arduino单片机；探究实验

引言

中学物理教学提倡以物理核心素养为导向组织开展，物理学科核心素养的关键成分主要有物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面^{[ 1 -2]}。多个版本的高中物理教科书中均将“传感器”編排为独立章节，且近年来传感器常作为高考命题内容；另外，在大学物理实验课程中大量涉及传感器的运用，因此，传感器基础知识正逐渐成为高中物理教学中的重要内容之一。同时，编程教育早已在世界各国陆续开展，有研究表明编程能够显著地促进学生知情意行多方面的发展，以推进学生个体的正向发展^{[ 3 ]}。目前Arduino作为一个低成本且简单开源的编程平台应用于机器人教育，其课程能有效促进学生间的交流协作且深受中学生的喜爱^{[ 4 ]}。本文将低成本且简单开源的Arduino单片机引入高中物理传感器教学中，在教师的逐步指导下展开传感器的探究，将物理核心素养渗透在教学过程中。

1  高中传感器部分新课标要求及教学现状

1.1  传感器章节的新课标要求

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》将“传感器”这个主题设置在选择性必修二模块中。与2013年版课程标准对比，其主要的变化有：一是在“活动建议”中增加了“调查手机中的各种传感器，了解它们的应用”；二是将原“活动建议”部分中“利用传感器制作简单的自动控制装置”调整至“内容要求”中^{[ 5-6 ]}。此外，对比新旧人教版高中物理教科书，发现在其他物理知识的学习中增加了与传感器的联系。可见，新版课标及教科书对传感器的教学要求均有所提升，同时也更加强调传感器与现实生活的联系，充分体现了物理课程的时代性。因此，对于传感器章节的教学方式，教师需要不断改进和创新，发展学生的核心素养。

1.2  教学现状

传感器内容作为独立章节，被编排在高中物理教科书的选择性必修二中，学生通过对传感器的深入学习，可以真正体验到物理走向生活。但是在实际教学过程中，由于诸方面的原因，“传感器”内容的教学始终处于弱势地位，部分教师对于该内容仅单纯讲授知识或观看相关实验视频，部分教师认为传感器技术仅是对原有传统实验进行改进^{[ 7 ]}。随着高新技术的飞速发展，为体现课程的时代性和创新性，传感器章节的教学应不断创新，努力将现代科技成果作为媒介引入物理课堂，提高教育教学质量。

2  以物理核心素养为导向的传感器实验教学设计

物理核心素养的培养必须将其深植在物理教学过程中，其各要素之间是相互作用的，物理观念强调运用物理知识和方法解释自然现象，解决实际问题^{[ 8 ]}。学生在建构物理观念的同时，不断形成综合分析等科学思维，在经历实验设计、动手操作后树立科学态度与责任意识。

教材中传感器内容侧重于物理原理在传感技术中的应用，因而传感器教学的关键是多做实验。在教学过程中，教师需要注重引导学生对所研究的问题从物理学的视角分析，思考物理量及其相互作用规律，运用物理知识和方法进行实验测量，分析实验结果，并得出实验结论。

将Arduino引入传感器教学，以培养学生物理核心素养为目的，其教学目标见表1，具体的教学环节，主要包括四个阶段：情境导入、新课教学、学以致用、多方评价。

2.1  情境导入，设置悬念

演示1：霍尔磁力传感器控制灯的亮灭。

演示：呈现自制教具，演示将磁铁靠近探头时，LED灯点亮，磁铁移走时，LED灯熄灭。如图1。

设问：如此体积小的“探头”到底是什么？整个电路又是如何实现控制？

设计意图：通过新奇的演示实验，创设有趣的物理情境，让学生在观察的同时激发他们的学习动机，设置悬念，抓住学生的眼球，让他们带着好奇进入新课学习，产生主动建构知识的兴趣。

2.2 新课教学，意义建构

2.2.1引导思考，总结定义

演示2：超声波传感器测距。

演示：展示自制教具，接着在“探头”的水平前方放置了一本书作为障碍物，实验数据通过计算机呈现在大屏幕上，并且随着“书”的前后移动，数据也在实时发生改变。如图2。

设问：两次演示实验中分别是哪些物理量发生了变化？（演示1：磁场，演示2：位移）。

引导思考：通过两个演示实验，并结合生活中的声控灯、酒精检测仪等装置，都有哪些共同特点呢？

共同总结：霍尔磁力传感器：磁场电路的通断；超声波传感器：位移电压；声控灯：声音电压；酒精检测仪：化学成分电压。传感器是将非电学量转换为电学量或电路通断的一种装置或器件。它是人类感官的代替和延伸。

设计意图：通过直观的演示，并注重引导学生联系生活实际，通过结合多个实例从物理学的角度思考传感器的内在规律，通过分析综合、科学推理等方法总结出传感器的定义，培养学生的科学思维。

2.2.2 实验探究，理解原理

探究：光敏电阻的特性

利用多媒体播放光控路灯的视频。学生解释：光敏电阻将光照强度转换为电阻（电学量）。

提问：光敏电阻和光照强度之间的关系如何呢？

猜想：光敏电阻的阻值会随着光照强度增大而减小。

制定计划与设计实验：学生讨论：使用控制变量法进行实验。

交流与合作：教师发放实验器材，光敏电阻、光源、多用电表。学生进行小组分工合作完成。

实验步骤：①将光敏电阻接到万用电表两端；②光敏电阻依次置于黑暗、室光、较强光、强光的光照环境下实验，并记录对应阻值，如表2。

教师引导改进实验方案。

设问：同学们分组人工测量出数据，那怎样改进实验使得测量更快更精确呢？

学生讨论：使用万用表具有数据可视性差、实验不高效的问题，那类比生活中的体温枪，是不是可以利用传感器原理进行电子装置小制作，代替人工完成数据的测量、处理和显示？

活动：发放光敏电阻传感器KY-018，带领学生观察其外观结构，如图3，由光敏电阻、定值电阻以及标识为“+”“-”“S”的三支引腳组成。

设问：这些电子元件之间是如何连接的呢？

学生分析：光敏电阻和10 kΩ定值电阻是串联，可以根据分压方法来测量光敏电阻两端的电压值，计算出电阻值，并画出电路连接图如图4。但疑惑引脚S的作用。

教师解释：该传感器的工作电压是4.5～24 V，引脚S就是它的特别之处。随着科学技术的发展，出现了称为单片机的装置，它能够采集并处理电信号。现在教师选用简单开源的Arduino单片机来采集引脚S的电压值，即电路中光敏电阻两端的电压值。

借助多媒体播放Arduino相关视频，配合讲解Arduino硬件和软件情况以及基本使用方法。从传感器入手，从信号转换的角度简要讲解实验所用程序代码编写的方法和过程。并向学生提供该Arduino开源平台的相关资料网站，供学有余力的学生进一步学习。

学生继续完善实验电路的设计，如图5。

指导下进行实验：

实验器材：光敏电阻传感器KY-018、Arduino开发板（带数据线）、杜邦线、装有Arduino IDE软件的电脑。

实验步骤：①连接电路，如图6，Arduino板子连接电脑，并通过电脑将程序导入到Arduino。②运行程序，将传感器依次置于不同光照环境下展开探究。③打开IDE自带的串口监视器及串口绘图器以查看实验结果，结果如图7。

分析与论证：学生交流后分享：光敏电阻的阻值会随着光照强度增大而减小。光敏电阻将光照强度（光学量）转换为电阻（电学量）。将光敏电阻传感器接入控制电路中，电信号经电路调整处理能更方便测量、读取。光敏电阻的应用实例：光控路灯、光电门等。

设计意图：让学生结合已学习过的电学知识对传感器工作原理进行系统地有意义建构，整个探究实验在教师的引导下逐步推进，并基于科技快速发展的时代背景，引入低成本且简单开源Arduiono平台，突破传统实验方案，体现课程的时代性与教学的与时俱进，使学生体会到非电学量转化为电学量的技术意义。

2.3  学以致用，巩固提高

各小组学生课后分工合作完成实作任务。

设计方案1：基于光敏电阻特性的探究，完成光敏报警器或光控路灯的制作。（设计要求：有光照时，警报响或小灯亮。）

设计方案2 ：类比光敏电阻特性的探究，分组探究热敏电阻的特性，并完成温控报警器的制作。（设计要求：得出热敏电阻特性图，且温度过高，警报响。）

设计意图：需要学生经历对装置进行功能分析，确定电路控制逻辑，设计并制作实验电路等过程，能运用所学解决实际问题，这是培养学生实验意识和创新能力的良好契机，能有效促进核心素养的落实。

2.4  多方评价，教学相长

教师需对学生在整个探究实验过程中的行为操作以物理核心素养为指标进行过程性评价，同时，还可引导学生联系生产生活实际，通过科学的人文价值进行思想教育。此外，学生的实作任务可以采用自评和他评结合的方式，在反思自己学习过程的同时也能促进学生间的相互学习。教师进一步可通过简单的问卷调查了解学生对该知识点的掌握情况，其调查问卷见表3。

设计意图：多方评价使师生之间、生生之间形成多重反馈，有效促进教学相长，理论联系实际，从物理回归生活。

3 总结与展望

将Arduino平台和数字化传感器结合，可实现以物理核心素养四要素整合为目标的实验教学案例设计。案例将传感器技术和编程教育等进行有效融合，展现了当代高中物理课程鲜明的时代性和创新性，有助于激发教师的教学热情和学生的学习兴趣，对改善当下“传感器”部分在高中物理教学中的弱势教学现状能起到一定的促进作用。另外，依据高中学生的认知水平，在高中物理教学中融入简单易学的基础编程，让学生体会到科技创新推动社会进步的力量，也真正为学有余力的学生留出创新的窗口。利用Arduino平台还可以搭建出若干传感器模型实例，期望对传感器类实验具有一定的参考作用。

参考文献：

［1］ 陈琪睿，慕晓艳，杨晓梅. 以物理核心素养为导向的温度传感器实验教学案例设计[J]. 物理教师，2018，39（8）：44-46.

［2］ 王想敏. 核心素养导向下的初中物理创新实验教学设计：以“大气压强”实验教学为例[J].物理教学，2022（2）：38-40.

［3］ 孙立会，胡琳琳. 编程真的能促进儿童的个体发展吗？：基于28项实验和准实验研究的元分析[J]. 华东师范大学学报（教育科学版），2021，39（11）：45-58.

［4］ 金书辉，郑燕林，张晓. 高中Arduino机器人课程学习现状调查与分析[J]. 中国电化教育，2017（12）：115-120.

［5］ 张圣羽. 基于Arduino的高中物理传感器实验教学研究[J]. 实验室科学，2020，23（2）：129-133.

［6］ 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京：人民教育出版社， 2020：30.

［7］ 曹文杰. 高中物理教材传感器内容的教学研究[D].苏州：苏州大学， 2011：49-53.

［8］ 高渊，方恺，乐永康，等.基于单片机开展探究式实验教学以提高中学生物理核心素养[J].物理与工程，2018（Z1）：177-182，186.

教育部2015年教师队伍建设示范项目：4+2卓越中学教师培养模式（06-156-PY）研究成果

*通讯作者