基于6E设计型学习模式的物理实验教学

杨斯杰 高永伟 南亚亚 何婧

摘   要：为了探索高中物理学科核心素养的发展模式，文章将6E设计型学习模式与现行高中物理课程结合起来，并以高中物理教材中的“光控开关”为例，设置真实的技术及工程问题——“制作光控路灯”。这种教学模式促使学生经历参与、探索、解释、工程、深化和评价过程，可以提高他们的问题解决能力、动手实践能力和科技创新能力，有利于学生物理学科核心素养的发展和STEM理念在教学中的有效融合。

关键词：6E设计型学习模式;光控路灯;太阳能;传感器;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）12-0060-4

2014年，美国国际技术与工程教育学会提出落实STEM教育的活动模式——6E设计型学习模式，该模式主要包括参与（engage）、探索（explore）、解释（explain）、工程（engineer）、深化（enrich）和评价（evaluate）[1]。6E设计型学习模式在5E教学模式的基础上加入了“工程”的概念，强调实践在学生学习中的重要性，突出学生在物理情境中动手操作的主动性与积极性。2019年人教版高中物理教材将传感器内容放在电磁感应、交流电流与电磁振荡和电磁波之后，学生系统地学习了基础知识之后，认识到传感器在社会生活中的应用，將知识与实际应用联系起来。让学生运用所学知识设计制作简单光控路灯模型，充分体现了科学、技术、工程与数学在教学中的结合。

1    教学目标

在知识层面上，以物理学科的“光控开关”为主体知识，加入“太阳能”相关知识及应用。通过光敏电阻工作原理促进学生对传感器的进一步认识，让学生了解太阳能转换为电能的基本知识，并利用二极管及三极管的原理设计、制作模型，从而强化知识与实际应用之间的联系。

在技术层面上，首先设计利用光敏电阻控制路灯发光的模型，根据二极管和三极管基本原理完成设计，并通过小组合作的形式完成系统制作;然后根据太阳能发电的基本知识设计用太阳能板控制路灯发光的模型，小组合作完成设计与制作;最后根据制作成果分析技术上的优缺点。

在工程层面上，学生通过团队协作解决在实验制作过程中遇到的各种问题，掌握各类电子元器件的基本原理，并能够根据实际情况将所学知识应用到实际操作中，加深对知识的理解。

在数学层面上，主要是设计并画出电路图，根据电路选择符合规格的实验器材，通过器材的规格型号判断实验中出现的问题并解决。实验中，数学更多的是作为一种分析工具，学生通过对数学的应用来提高数学思维以及数学应用能力。

2    教学过程

2.1    参与（engage）——创设情境，激发好奇

参与阶段的目的在于通过课程导入激发学生的探究兴趣，创设以学生生活中已有的经验为基础、联系生活实际的物理情境，引发学生思考，使学生将认知中已有知识经验与问题情境联系起来，激发学生的好奇心，明确接下来的学习任务。

【情境导入】 讲述路灯的发展史，结合我国科技发展，联系生活实例，展示路灯图片。引导学生回忆思考生活中所看到的路灯是何时发光的，是什么控制发光的。提出问题：路灯是如何做到天暗沉后自动发光？学生在之前已经学过传感器及能量转换的相关知识，联系已有知识经验思考问题，在头脑中明确本节课的学习任务。

2.2    探索（explore）——科学知识，探究设计

探索阶段主要以学生为主体，教师起引导作用。即教师通过引导帮助学生建构知识、掌握方法技巧，给学生提供亲身体验的机会与条件，使学生积极主动地投入到探究活动中。学习路灯模型制作的相关知识，引导鼓励学生通过小组合作概括知识、设计模型。

【知识回顾】引导学生回顾光敏电阻及太阳能的相关知识，并对光敏电阻的特性进行探索。准备一个光敏电阻，一个多用电表，测量观察在室内、遮光和阳光直射三种情形下电阻的大小，结果如图1所示。由测量结果可得，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值会不断减小，进而通过电阻元件的电流会相应增大。

【查阅资料】 给学生提供相关资料，学生通过查阅资料获得关于发光二极管、三极管及光控路灯的相关知识。

发光二极管是一种电-光转换器件，能将电信号转换成光信号，在电路中必须正接才能工作。同时，电流越大，光信号越强。三极管是一种具有放大功能的半导体器件，其三个电极分别称为集电极（用c表示）、基极（用b表示）和发射极（用e表示）[2]。单独一个三极管无法正常工作，在电路中需要为三极管各极提供电压，让它内部产生电流时才具有放大作用。三极管的类型与状态分别如表1、表2所示。

光控路灯的开关由光照强度控制，光照较强时，自动熄灭，光照较暗时，自动开启。利用光照强度的传感器中最常见的为光敏电阻，但其工作电流很微弱，不能直接驱动执行机构工作。因此，需要配置一定的放大电路实现控制功能，就需要三极管配合实现电流放大。

【探究设计】 根据回顾及查阅相关的基本知识，先观察分析所给的实验器材（导线若干，面包板，电池，三极管Q，发光二极管LED，色环电阻R，光敏电阻RL，开关S），然后选择合适的器材，再利用已掌握的知识，讨论设计实验方案。最后，画出电路图（图2）。

2.3    解释（explain）——展示交流，知识总结

解释阶段中，教师组织学生运用已经掌握的概念和原理解释设计方案，分享自己的设计方案与存在的问题。讨论交流后，教师纠正学生的错误，帮助学生逐步完善设计方案。

【展示交流】 学生分享本小组的设计方案，展示设计电路图并解释设计原理，提出设计过程中遇到的问题。交流设计思想，学习别人设计中的优点，解决自己存在的问题。

【知识总结】 在实际过程中，学生往往粗略地进行一些设计，忽略了实验是一个严谨的过程。教师可根据学生的实际情况，帮助他们总结制作过程的注意事项：

（1）在接发光二极管时注意二极管方向，二极管长的一边为正，短的一边为负。

（2）色环电阻读数，除金、银分别代表5%和10%的误差外，其他颜色代表不同的数字，对应关系如表3所示，色环电阻读数方式如图3所示。

（3）连接时注意分清三极管方向。利用多用电表判断三极管的三个极性（图4）。将多用电表调至电阻挡，先用红表笔接在三极管的一个脚上，再用黑表笔去碰另外两个脚。如果两次都导通，则红表笔所接的就是三极管的基极;如果没找到，就换另外的脚再次进行测试;若两次测出阻值都很小，则三极管为PNP型;若测得阻值均很大，则三极管为NPN型。两脚与基极测出的两组数据中，数值小一点时黑表笔所接的脚为集电极，另外一个脚则为发射极。

学生根据教师提出的注意事项，改正设计中的问题，完善本小组的设计方案。

2.4    工程（engineer）——工程制作，展示交流

工程阶段是6E学习模式的核心阶段，该阶段的目的是把探究实验与工程设计联系起来，将理论知识应用于实际生产生活中。在教学设计中要以“工程”为核心内容。

【工程制作】 各小组根据自己的實验设计方案进行操作，用已给出的实验器材，按照设计的电路图进行连接，完成自己的工程设计。观察实验现象，看实际现象是否与设计时的猜想一致。

由于室内光线较亮，二极管不发光。线路连接完成后，当用手挡住光敏电阻或把实验装置移到光线较暗的环境中时，二极管自动发光。工程制作成果如图5所示。

【展示交流】 各小组完成制作后，展示自己的作品，交流制作的心得体会。小组之间互相评价，完成分发的评价表。

2.5    深化（enrich）——深化问题，拓展延伸

深化阶段是引导学生在已掌握知识的基础上进行深化探索，老师提出新的问题，一方面引导学生深入思考，实现知识技能的迁移;一方面引导学生深入学习，加深对知识的理解与应用。

【深化拓展】 2021年全国两会上的《政府工作报告》对能源行业在2021年及“十四五”时期的重点工作提出了明确要求，清洁、低碳、安全、高效等关键词贯穿始终[3]。习近平总书记曾指出“光伏发电扶贫，一举两得，既扶了贫，又发展了新能源，要加大支持力度”[4]。在实际生活中，光控路灯除了用光敏电阻进行控制外，还可用太阳能来完成。

【知识迁移】 给学生提供实验器材（太阳能板、蓄电池E、导线、开关S、发光二极管LED、三极管Q、电阻R、面包板），设计利用太阳能控制电路的装置，使电路采用太阳能供电。学生通过查阅资料了解到当三极管基极输入电压为低电平时，发射极与集电极反向偏置，三极管工作为截止状态，三极管断开;基极输入电压为高电平时，三极管迅速饱和导通，集电极输出为低电平[5]。

在教师指导下，学生设计电路图（图6）。白天，太阳能板电压大于0.7 V时，三极管Q1基极电压就会大于0.6 V，三极管Q1导通，三极管Q2关闭，此时发光二极管的回路切断并熄灭;晚上，太阳能板电压小于0.7 V时，通过电阻分压，三极管Q1的基极电压就会小于0.6 V，三极管Q1截止，三极管Q2导通，发光二极管的回路接通并发光。

本次制作接入了太阳能板和蓄电池，如图7所示，当装置放在光线充足的环境中时，太阳能板把太阳能转化为电能，储存在蓄电池中;光线较暗时，蓄电池给电路供电，二极管发光实现夜间照明。

老师在上述任务完成之后引导学生思考除太阳能外还有什么能源能够发电。

2.6    评价（evaluate）——评价测试，共同进步

评价阶段是教师依据评价标准，通过合理的评价方式来确定学习者是否获得知识，检测学习效果。

【测试评价】 教师对每个小组及每一个学生的探究与制作过程打分评价，并分发评价表给学生，让学生互相评价，并针对本次设计实践过程进行自我评价。综合教师、同学以及学生的自评分，得出每一位学生的最终成绩。

3    总  结

基于6E设计型学习模式的物理实验教学，主要围绕六个项目完成，以生活真实情境进行教学，六个环节环环紧扣。以光控路灯为切入点，从传感器中的光敏电阻及能源发展中的太阳能入手，学习各类电子元件的理论知识及应用。结合生活中的实际应用，培养学生物理学科核心素养，促进学生全面发展。在设计该实验的过程中，深刻感受到设置教学情境与进行科学探究的重要性。受实验器材与实验操作的影响，实验过程中容易出现失误，需要学生亲历探究过程，与老师一起解决探究过程中出现的问题，从而帮助学生形成科学思维习惯，增强科学探究能力。

参考文献：

[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. 电子元器件知识与实践课堂[M].北京：电子工业出版社， 2017：112.

[3]王怡. 制定更积极新能源发展目标  加快推动碳达峰、碳中和[N]. 中国电力报，2021-03-10（001）.

[4]谢文川，伍梦尧. 领跑全球产业发展  推进清洁低碳转型[N]. 中国电力报，2021-01-13（001）.

[5]黄淑圆.浅谈开关三极管的原理及应用[J].机电信息，2015（21）：36-37.

（栏目编辑    贾伟尧）