高中项目式学习在“传感器的物理学探究”中的教学实践

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作者:无, 字数:7251

  传感器担负着信息的采集任务,它能够将“感受”到的力、热、电、光、声等物理量,以数字的形式直观地表示出来,在物理学探究中发挥着重要作用。例如,将力信号转换为电信号的力学传感器,常应用在牛顿运动定律等高中力学实验中。此外,光电传感器、热学传感器、声学传感器等在物理学实验与应用中同样也发挥着重要的作用。因此“传感器的物理学探究”课程既为学生接触数字化实验测量仪器提供了平台,又能让学生有效实现物理学知识的深度学习。
  项目式教学是为了完成一个完整的项目而进行的实践教学活动,它最显著的特点是以项目为主线、教师为主导、学生为主体,改变了以往教师讲、学生听的教学模式,创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来,充分发掘学生的创造潜能,提高学生解决实际问题的综合能力。
  下面,笔者从课程的设计理念与预期、课程设计的架构与实施,以及学生体验与成果等方面来阐述项目或学习在“传感器的物理学探究”课程中的教学实践。
  课程的设计理念与预期
  本课程旨在培养学生物理学科核心素养,提高学生科学探究能力。通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境,运用传感器技术,让学生提出研究课题,形成猜想和假设,设计实验,获取和处理实验数据,得出结论并作出解释,最后对科学探究过程和结果进行交流、评估和反思。这样既增强了学生科学探究能力和解决实际问题能力,又培养和发展了学生的合作交流能力。
  进入高中阶段以后,物理知识更加抽象,实验更加复杂,实验仪器种类繁多,数据处理过程烦琐。如何让学生更加关注实验现象的物理本质?如何让学生的猜想和假设有效地物化为实验设计?传感器作為直观的数据测量仪器是一个很好的选择。本课程的开设,让学生更加关注实验现象的物理本质,既培养了学生的动手实践能力,又加深了学生对物理学规律的理解与感悟。
  在本课程教学中,学生自选研究课题主要围绕高中阶段最重要的物理规律展开,如动量守恒定律、机械能守恒定律、动能定理等,学生既能将课堂中学到的物理概念与物理规律有效地应用到项目实践中来,又通过自主实验探究加深了对物理学规律的理解,这样就弥补了现阶段高中物理教学过程中因课程安排紧凑而无法进行充分学生实验的遗憾,实现了将知识学习放到课外的“翻转式课堂”效果,完成了对课堂时间的高效利用,培养和发展了学生的自主学习能力与知识迁移能力。
  课程的设计架构与实施
  1.项目初期
  首先,完成学生分组,每组3人,力图使每一位学生都能参与到课程学习活动中,使学习过程成为人人参与的创造性实践活动。其次,教师介绍并演示实验室常用的传感器如力学传感器、位移传感器、电流传感器、电压传感器、光学传感器、声音传感器、磁场传感器等以及相应数据采集器的使用方法。通过设计一些简易的物理实验让学生自己动手操作,感知、掌握传感器的基本原理、使用方法以及数据处理方法,包括图像呈现、数据拟合等。最后,教师以观测弹簧振子的简谐运动为例介绍位移传感器。
  2.项目中期
  首先,教师以中国知网为例,介绍使用数据库进行文献查阅的方法。学生通过锁定关键词,查阅参考文献和相关资料,经过小组集体研讨,确定小组研究课题。接着,制订工作计划,包括制订实验方案并确认实验器材,明确小组成员分工,制作工作进度表等。最后,学生围绕本组研究课题,根据实验方案进行实验操作,记录、处理实验数据,解释实验结果并验证实验猜想。在本阶段,学生会认识到真实的实验探究过程是一个反复试错、不断修订实验方案的过程,甚至实验结果也会与最初的猜想背道而驰,因此,能够进行合理的原因分析也是本课程的设计初衷之一。
  3.项目后期
  项目后期为研究成果的呈现与评价。一是基于实验结果,各小组分别形成本组课题论文、展示海报以及课题汇报PPT,作为小组研究成果。为此,教师要向学生介绍研究性论文的行文规范以及展示海报的格式要求。研究成果的形成过程,也是学生的总结、反思与自我提高的过程。二是根据各组研究成果,采用多元化评价方式进行成绩评定。一方面,小组课题论文、展示海报等研究成果以及学生个人课堂表现由教师进行评价。另一方面,课题汇报以辩论赛的形式由学生进行评价,将学生分为展示组、挑战组和评价组。各小组根据汇报顺序,依次承担展示组、挑战组及评价组的角色。其中,展示组汇报本组研究课题和研究结果,并回应挑战组的提问,双方就相关问题展开辩论。其余小组作为评价组,从PPT图文编排、实验设计、理论依据、数据处理、实验结果与分析、演讲者表达与仪态仪容、问题回应等多个维度对展示组进行评价打分,同时根据挑战组提出问题的质量,对挑战组进行评价打分。通过辩论过程促进学生对本组以及他组的探究实验进行深度思考。
  学生的体验与成果
  本课程通过引入传感器等现代信息技术,引导学生理解物理学的本质,形成科学思维习惯,增强科学探究能力和解决实际问题能力。
  以学生课题“探究电磁感应现象”为例,为探究感应电流与线圈匝数、线圈横截面积以及强磁铁下落速度的关系,该课题组设计了实验装置,并采用电流传感器、导线、线圈、减震海绵、强磁铁、长直尺等实验器材。为保证实验结果的科学性,该组学生采用了控制变量法,依次进行实验操作。学生经过反复的考证与分析,认为强磁铁下落至减震海绵时会发生反弹现象,进而影响实验数据,产生较大的实验误差。为解决该问题,他们选用细沙代替海绵作为减震装置,最终得到了有效的实验数据,实验结果与法拉第电磁感应定律一致。
  综上所述,“传感器的物理学探究”项目式课程的开设是对高中物理课程的补充与深化,它不但激发了学生的学习兴趣和创造力,强化了学生独立思考、自主探究的能力,而且培养了学生的协作能力,有助于学生批判性思维的养成。本课程与普通高中物理课程互为补充,完成了对课堂时间的高效利用。

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