基于STEM理论的“传感器工作原理及应用”教学设计

王思齐

西南大学教师教育学院，重庆 400715

1 引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出21世纪更需要跨学科、复合型人才。分科教学会导致学生只掌握各学科的内容，却缺乏将各学科知识整合起来的能力。而现实生活中的问题具有复杂性、不确定性和综合性。只用某一门学科的知识很难解决实际问题，所以在教学中需要针对这一问题作出新的变革。

STEM教育由美国学者在1986年提出后，很快传播至全球多个国家。2015年9月教育部办公厅印发的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》首次提及探索“STEAM”教育。2016年6月教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》指出，要积极探索信息技术在STEAM中的应用，培养学生的创新意识与创新能力。基于STEM教育理念的教学已经成为一大热门。本文以培养学生的信息素养、创新意识与创新能力并完成相应高中课标要求为目的，致力于将STEM教育理念融入物理课堂中，并进行教学设计。

2 探究型STEM教育的教学模式建构

STEM教育的核心是将科学、技术、工程和数学四门学科进行有机整合，以培养学生的实践能力和创新精神。教师在将STEM理念运用于课堂教学时，应该针对不同类型的课程选择相应的教学模式。本研究针对探究型课程，在已有研究的基础上，结合高中物理的教学特点设计了如图1所示的STEM教学应用模式。

图1 探究型STEM教学应用模式

探究型STEM教学应用模式分为4个环节。第一个环节是“探究生活中的物理”，其设计意图为调动学生的学习兴趣，让学生感受生活与物理连接的紧密性，培养其提出问题和独立思考的能力。第二个环节是“进行探究实验并分析总结”，其设计意图为通过探究性实验的学习和研究，展示学生的研究思路和才能，让学生体会物理实验的魅力进而获得物理知识。第三个环节是“基于教师补充的物理知识，驱动学生解决工程问题”：学生在进行工程设计时会遇到许多跨学科的问题，这一环节能锻炼其创新能力并提高将各学科知识整合起来的能力。第四个环节是“进行工程制作，优化方案”：在制作过程中，不仅能锻炼学生的团队合作能力，还能培养其解决实际问题的综合能力。此应用模式从生活中的物理出发，引导学生围绕物理问题展开探究型学习并习得相关知识，最终通过运用知识进行工程制作，达到知识升华的目的。此外，在整堂教学设计中融入科学、技术、工程和数学，从而培养学生发现问题、解决实际问题的能力。

3 基于探究型STEM教学应用模式的教学设计

以“传感器工作原理及应用”为例，按照上述模式进行教学设计。

通过一系列教学环节让学生将所学知识整合到自己的认知结构之中，从而实现深度学习，取得更好的教学效果。因此，从学生的角度设计了本节课的教学目标及对应的教学环节。

本节内容选自人教版高中物理选择性必修二第五章第二节“常见传感器的工作原理与应用”。

“通过实验，了解常见传感器的工作原理。会利用传感器制作简单的自动控制装置。了解光敏传感器及其在生产生活中的应用”。

传感器广泛应用于现代生产、生活和国防科技中，但学生对此却知之甚少。大部分高中生学习完光敏电阻后，只机械记忆了光敏电阻阻值变化与光照的关系，对于光敏电阻的具体应用没有进一步的了解。然而，高中二年级的学生处于思维活跃、喜欢观察和思考的阶段，具有强烈的探究世界的动机，所以可通过一系列教学环节引导学生主动参与。按照探究型STEM教学应用模式的四个步骤，将科学、技术、工程和数学等元素融入课堂，以提高学生的综合素质和解决实际问题的能力。

具体内容如表1所示。

表1 学习目标与STEM学习目标

（一）探究生活中的物理

教师活动：教师展示生活中的光控路灯。教师介绍，当天色暗到一定程度时，光控路灯产生感应，进而控制电路点亮路灯，为夜晚路上的车和行人照明；当天亮到一定程度时，光控路灯再次产生感应并断开电路，灯熄灭。光控路灯如此“智能”的原因是路灯内部某一装置能够感应光照并将光照强度区分为一个范围内的数值，当数值低于某值（根据当地情况自行设定），路灯就会被点亮，反之路灯熄灭。在这复杂的原理背后，有一个小小元件起着非常重要的作用——光敏电阻。教师向学生展示光敏电阻：把硫化镉涂敷在绝缘板上，再用银浆在其表面涂敷两个互不相连的梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。由于硫化镉的电阻率与所受光照的强度有关，所以当光敏电阻表面所受光照强度不同时，其电阻也不同。

学生对光敏电阻的阻值大小与光照强度之间的关系产生了强烈好奇心后，让他们根据已有实验仪器设计实验方案。

实验仪器：两节干电池、导线若干（带金属夹）、光敏电阻、面包板、开关若干、小灯泡以及二极管。

学生活动：在教师引导下，学生将探究光敏电阻阻值与光照的关系实验步骤分成以下几步（表2）并得出具体电路图（图2）。

表2 探究光敏电阻阻值与光照关系实验步骤分解

图2 电路图1

STEM设计意图：本环节体现了STEM教育的情景性以及设计性。从日常生活入手，新颖的智能路灯更容易激起学生的好奇心，产生探索的欲望，从而体会生活与物理的关系。在面对探究问题时，学生在教师引导下将问题分为几个步骤进行解决，有利于提高学生的探究能力以及分析问题、解决问题的能力。在探究过程中学生利用了以往的科学知识，实现了STEM教育理念的融入。

（二）学生进行探究实验并分析总结

学生设计出探究实验的电路图后，在教师的引导下小组动手进行组装并开始实验，具体操作步骤如表3所示。

表3 学生进行探究实验的具体步骤

图3 电路图2

图4 实验电路板

STEM设计理念：本环节体现了STEM教育的协作性和体验性。通过小组一起进行实验、发现问题、分析问题、改进实验等步骤，能让学生在探究过程中发展协同合作、交流沟通的能力。引导学生自己设计实验并动手进行操作，不仅能够让学生获得结果性知识，也能获得过程性知识，同时能运用物理和数学知识发现并解决问题。

（三）教师补充物理知识，驱动学生解决工程问题

通过探究习得了光敏电阻阻值与光照变化的关系。接下来，为将物理与生活结合起来，使学生完成认知升级，布置学习任务：

在生活中有很多利用光控计数的地方，比如，生产流水线上的计数器、硬币自动分类计数器等，后者在银行里使用较为广泛，机器可以将一堆硬币分类收纳并计数。请根据本节课所学知识，制作一个简易的硬币自动计数机，达到放入一枚硬币进收纳箱里，机器就能自动计数加一的目的。

仅靠学生目前掌握的知识不足以完成任务，教师应当对学生设计的工程计划里不能完成的部分给予讲解和帮助，也可以请信息技术老师参与课堂提供帮助。

师生开始讨论梳理：放入一枚硬币，示数就要加一，因此需要一个显示屏；根据光敏电阻阻值变化特性，需让硬币进入时能改变光敏电阻周围的光照情况，因此需要能识别电路中阻值变化的信号装置。如此，便能使显示屏的示数加一。在教师引导下，该思路细化为以下问题：

（1）硬币下落如何改变光敏电阻阻值

要想改变光敏电阻阻值，则需改变光敏电阻周围的光照情况。包括两种情况：一是光敏电阻周围是暗的，硬币下落会使光敏电阻周围变亮；二是光敏电阻周围是亮的，硬币下落会使光敏电阻周围变暗。经商讨和模拟，选择第二种情况。

（2）如何考虑自然光的影响

学生通过小实验得知，自然光对实验影响非常大。设计一个装置外壳，将光敏电阻放在内部。此外，为将光敏电阻处于一个较亮的环境，学生提出在装置内部放一个小灯泡提供光亮。由于只在需要的时候才会使用硬币计数机，所以让小灯泡连入一个有开关和电池的电路，方便控制灯泡的亮暗。

（3）如何让硬币进入硬币收纳盒

关于硬币如何进入硬币收纳盒，学生有两种想法：一是做一个斜的滑道，在滑道下端安装光敏电阻，将硬币沿斜道滑下落入硬币收纳盒；二是直接在光敏电阻旁开一大小合适的小方孔，直接将硬币放入收纳盒，要求硬币正对光敏电阻下落。两种方案暂定。

（4）如何让示数器自动加一

为保证每落下一枚硬币，示数就加一，于是要求光敏电阻与示数器、电源、开关组成一个电路，硬币落下时会遮光从而短时间改变光敏电阻的阻值，进一步在电路中产生一个信号。显示器识别这种信号后示数自动加一。其中涉及到使用单片机以及编码的内容，由信息技术老师提供帮助。

（5）如何设计装置外壳

首先，学生考虑做成一个长方体状的封闭装置。关于做装置的材料，学生考虑木板、硬纸板、薄金属片等，这时教师介绍一种轻便且易加工的高密度泡沫板。然后，学生设计装置长、宽、高的参数，加工其内部结构。同时，为方便查看内部电路连接情况。学生将上表面设计成一块活动板。

学生在设计出初步方案后，将发现多个以目前的知识无法解决的问题。如需要一种装置能识别电路中阻值变化的信号，进而使显示屏的示数加一。这时物理老师及信息技术老师给学生一定的帮助：在学生已有的电路中添加一个继电器和单片机，继电器负责发出电流变化的信号，单片机则接收电流变化的信号，发出示数加一的指令，显示屏接收指令就完成加一。

至此，学生就有了制作硬币计数机的具体计划。根据该计划，硬币计数机内部可以分为两个部分，每部分的原理及所需材料如表4所示。

表4 硬币计数机原理与制作所需材料

STEM设计理念：本环节体现了STEM教育的协作性、跨学科性、设计性和趣味性。学生自主提出多种多样的想法并进行沟通交流，得到合作意识的有效培养。设计硬币计数器是个综合型工程任务，不仅需要物理学科知识和电子方面的知识，还需要学生的设计能力与动手能力，计算装置外壳的参数并动手制作，做到了科学、技术、工程、数学的融合，培养学生使用多学科的思维和知识解决实际问题的习惯与能力，真正做到STEM教育理念的融入。

（四）进行工程制作，优化方案

学生自行安排人员分工，按照预先设计的方案进行工程制作。学生在制作过程中会遇到一些困难，比如，在焊接时不容易焊接成功；制作的装置外壳不能很好遮光；装置完成后丢硬币进行实验时，显示屏变化不准确等等，需要通过交流讨论、查阅资料以及咨询老师等方式，不断改进和优化制作方案，最终形成学生的作品。此外，因为制作途中会涉及切割问题，要提醒学生注意安全。制作过程中所设计的相关模型如图5—图8所示。

图5 硬币计数机正面图

图6 硬币计数机整体图

图7 硬币计数机内部结构

图8 硬币计数机原理图

最后，学生展示最终的成品。若条件允许，在后期还可以对工程任务进行升级，如制作可以分类硬币的硬币计数器、可以自动分类的硬币计数器等。

STEM设计理念：本环节体现了STEM教育的体验性、协作性、艺术性。在整个制作过程，学生亲自动手进行操作，体验动手的快乐与成就感，在学生共同制作装置的时候，加入审美的要求。

四 结 语

通过对“传感器工作原理及应用”进行STEM教学设计与实施后，得出以下结论和建议：

STEM教学设计有助于新课标中核心素养的落实。融入STEM理念的教学设计对学生的工程与技术素养提出了更高的要求，在解决工程技术问题的过程中，能够培养学生发现问题、收集证据、进行解释与交流的能力，也能潜移默化地培养学生的科学思维与良好的科学态度与责任。

STEM教学设计更能够培养新时代所需要的复合型人才。由于STEM教育是科学、技术、工程与数学的整合，对学生的培养目标是多维度、多方面的，强调对实际问题的解决，能够改善学校课堂与社会生活割离的现状，进而促进跨学科、综合型人才的培养。

教师需根据实际情况运用STEM教育理念进行个性化设计。近年来STEM教育在国内外受到了广泛关注，不免会出现对STEM教育理念进行生搬硬套的情况。然而，不根据具体的知识点与学生的情况强行将STEM教育理念加入教学设计里，不仅不能很好地让学生完成认知建构，还额外增大了学生的学习量，同时不符合“双减”的大背景。所以，教师要在分析所教课题与STEM理论的适切度、学生情况等基础上进行科学判断，从而作出合理的决策。此外，教学实践中还存在学生学业繁重、课外时间较少、知识储备有限、动手能力与解决实际问题能力相对较弱等问题，所以在设计方案、进行工程设计时可能会遇到不同层面的困难。一方面，需要教师针对具体问题设计教学过程；另一方面，也可以在适当的时机请相关专业人士走进课堂，打破物理只在学校里的窘境，将物理与生活、社会联系起来。