高中“传感器”教学重难点突破的探究*

杨晓燕 王华强 蔡武德

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

2017版高中课程方案规定[1],关注学生多元发展，设计具有多样性与选择性的选修课程．课程标准对人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-2》第六章第1节的要求并不高，具体要求如下．

教学重点：

(1)通过实验观察与分析常见传感器的特性及工作原理；

(2)知道非电学量转换为电学量的技术意义．

教学难点：

通过实验探究常见传感器的敏感元件的工作特性．

这节讲的只是一些原理，没有什么难以理解的东西，更没有定量的计算．搞好该节教学的关键是多做实验[2]．演示实验将成为落实重点和突破难点的重要教学手段，也是体现科学本质和凸显科学探究的必要方式[3]．

1 重视新课引入的教学设计

优化课堂：从生活中最常用的“键盘”出发，创设物理情境；吸引学生的眼球，引导学生主动参与到课堂中来，点燃学生的学习热情，提高课堂活力，激发学生强烈的求知欲；与现代科技有较好的联系．

实验演示过程：如图1所示，打开激光投影键盘，通过蓝牙连接到电脑，打开一个空白界面(或短信)，随机选取一位勇敢的学生，像平时打字一样输入文字，能看见文字出现在界面上，演示成功，如图2所示．

图1 激光投影键盘

图2 演示键盘输入文字

效果分析：如图1所示，体积小得像“打火机”的键盘，往往能一下子就吸引学生的注意力；如图2所示，学生自告奋勇地上台演示激光键盘输入文字的过程，不再被动式学习；导入新颖，符合本节主题；设置悬念，在学生集中注意力的时候，引入新课．

2 重视师生对演示实验的拓展

2.1 锻炼教师的创新能力和实践动手能力

教材情况[4]：如图3所示．

图3 干簧管演示实验

实验拓展设计：设置了基于干簧管的装置，将教材中的负载换成较大的风车，如图4所示．风扇背面安装了干簧管，当磁铁靠近干簧管时，会使两个簧片由于磁化而被吸合在一起，如图4(b)、(c)所示．它们共同组成了能感应磁场的开关，也就是把磁场转换为电路的通断．

以魔术的形式来演示实验，操作简便，现象直观，吸引学生的目光，引发学生的好奇心，大大提高了上课的效率．

图4 神奇的“开关”

实验演示过程：手指戴上一个戒指状磁铁，慢慢靠近风车装置，风车开始转动，靠的越近，转动得越快．手指远离风车装置，风车则慢慢停止转动．请一位学生上台，模仿老师的动作，风车不会转动，演示完毕．抓准时机提问，老师的手真的有魔力吗？解释原理．

效果分析：设计了风车装置，更贴近生活，可视性较好；材料成本低，操作方便，效果明显，尤其“魔术演示”集中学生注意力，激发学生的学习兴趣．

2.2 激发学生丰富的想象力促使学生用心体会生活

优化后提问：我们生活中有许多报警器，同学们能不能利用今天所学的干簧管的知识和老师提供的材料，以小组为单位设计制作一个简易的水位报警器？(要求：当水位达到预警水位时，它能自动报警．)

选取一个小组展示作品，如图5所示．

图5 水位报警器

效果分析：联系生活，让学生感觉到书本上的内容是可以灵活运用到生活中的．灵活地运用本节课所学习的内容制作教具，培养学生的创新力，培养学生的团队合作能力，激发学生的学习兴趣．

3 重视实验的科学探究

3.1 探究光敏电阻的特性

教材情况[4]：如图6所示．

图6 观察光敏电阻的特性

实验拓展设计：如图7(a)和(b)所示，不再是单一的一个元件的测量，而是把光敏电阻加入到电路中，并在设计中加入了蜂鸣器和高亮LED灯．为了形成鲜明的对照组，制作了两个光敏报警装置，如图7(c)所示．

图7 光敏报警装置

自制的“同屏光传感器”，如图8(a)和(b)所示，操作方便，效果明显，成功解决欧姆表可视性较差的问题，能让更多的学生清晰地观察到实验现象．

图8 同屏“光传感器”

实验演示过程：如图7(a)、(b)所示，这是一台简易的光敏报警装置，它由一个小灯泡通过导线连着蜂鸣器、光敏电阻、定值电阻和三极管．实验前，分别打开装置1和装置2的开关，检查电路，观察小灯泡是否发亮和蜂鸣器是否发声，确保电路正常工作．如图7(c)所示，给装置1一个有光环境，装置2一个暗环境，让学生们仔细观察它们的不同之处，并进行交流，演示完毕．

让学生小组合作，参照教材上的演示实验，探究光敏电阻的特性．

提问：你们是以小组为单位，分工合作填写完的表格，但是老师只有一个人，又要改变光照强度又要测光敏电阻的阻值，怎么办呢？所以，老师自制了一个传感器(无线同屏传感器)，如图8所示．它可以采集光敏电阻的阻值，为了方便观看，设计了两块屏幕，并将它们同屏显示,如图8(a)所示；反之，如果有投影展示平台则如图8(b)所示．

效果分析：改善了欧姆表数据可视性差的问题，解决了实验操作繁琐、耗时、实验效率不高等问题；使学生协同运用多种感官(视觉、听觉)进行观察；两个装置形成鲜明的对照组，比较容易引导学生用控制变量法来探究实验，用此装置做实验，实验变量只有光照强度一个，不会产生其他外在因素的影响；方便移动，材料成本低，可多次循环使用．

3.2 探究热敏电阻特性

教材情况[4]：将多用电表调到电阻挡上(注意选择适当的倍率)，然后仿照图6所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表的两端．分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻值的变化情况．

实验拓展设计：如图9(a)所示，设计了3台热敏风车装置，引导学生想到运用控制变量法，选择用不同的温度进行加热；如图9(b)所示，将热敏电阻加入到电路中，放在风车背部，操作部分与演示部分设计是分离开的，教师对热敏电阻加热时操作方便，学生观察时也不易遮挡视线；如图10所示，避免了欧姆表量程倍率的选择问题，热敏风车装置与 “无线终端串口屏”组合成“同屏温度传感器”．

图9 热敏风车装置

图10 同屏温度传感器

提问：我们可否用类比光敏电阻的方法，研究热敏电阻呢？研究光敏电阻的光照强度和电阻之间的关系是通过改变光照强度的不同，那现在要想研究热敏电阻的热和电阻之间的关系，要通过改变什么的不同？(热的不同)．热在物理上指的是？(温度)．

实验演示过程：如图9所示，现同时用不同的温度对3个热敏电阻进行加热，可以观察到，装置1置于常温中时，风扇不会转动，装置2用火焰的内焰加热时，风扇开始转动了，装置3用火焰的外焰加热时，风扇开始转动了，并且风扇转动得比装置2更快．

引导学生把“热敏风车装置”与 “无线同屏器”组合起来——“无线同屏温度传感器”，如图10所示．用温度传感器测热敏电阻的阻值，用万用表测热敏电阻的温度，记录数据，总结．

效果分析：设计3台热敏风车装置，用不同的温度去加热，形成鲜明的对比，可以明显地看到3个风扇的转速不同，控制了实验变量只有温度一个；用类比法，很好地将旧知识迁移到了新知识上；万用表和热传感器显示屏上的数值可以直接看出热敏电阻随温度的变化情况；用实验数据总结得出结论，而不是硬生生地让学生死记硬背．

4 总结

通过课堂优化，实验拓展设计及“无线同屏传感器”的优越性，让学生了解非电学量转化为电学量的技术意义．在刚学了光敏电阻特性的基础上，利用“自制热敏风扇装置”，引导学生用类比光敏电阻的方法对热敏电阻的特性进行实验探究，这样的设计力求做到环环相扣，突破教学重难点，大大提升教学效果，同时期望培养学生的探究能力，努力做到以培养学生的核心素养为目标．