传感器系列教具的自制与教学实践

摘要

自制教具是中学物理教学的重要资源，更是培养学生物理学科核心素养的重要载体。为此，有必要系统探索传感器系列教具的研制路径，并围绕教材分析、设计开发、持续优化及教学反思等环节展开教学实践。将干簧管、光敏电阻、热敏电阻等核心元件的原理与应用情境具象化，可以为学生提供直观的探究体验，这有助于学生建构物理观念、提升科学探究能力、发展科学思维并养成社会责任，从而为核心素养导向的中学物理教学提供切实可行的实践参考。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 实践能力 / 核心素养导向 / 传感器 / 教学实践

物理作为以实验为基础的学科，其实验教学是落实学科核心素养的关键环节。当前，部分中学（尤其是农村中学）存在实验设备不足、教学资源分配不均衡等问题，难以满足新课标对学生实践探究与素养培育的要求。为此，利用生活用品和废旧材料制作低成本、高实效的教具，不仅能生动体现“从生活走向物理，从物理走向社会”^［1］的理念，更能同步助推教师的专业成长与学生的素养发展。基于此，笔者围绕传感器相关内容，开展自制教具的设计与教学实践研究。

1 教具设计与开发背景

1.1 课程标准要求

课程标准对人教版高中物理选择性必修二“5.2　常见传感器的工作原理及其应用”的要求是：通过实验了解传感器的工作原理，能利用传感器制作简单的自动控制装置，并列举其在生产生活中的应用。这一要求强调以实验为核心，引导学生从实践中理解知识，体现了科学探究与科学思维的素养导向^［2］。

1.2 教学现状存在的不足

教材虽提及干簧管、光敏电阻等传感器元件并配有相关图片，但其介绍较为简略，缺乏对应的实验设计内容，难以支撑学生对原理的深度理解^［3］。同时，受应试导向影响，部分教师对该节内容多作概括性讲解，忽视了知识的生成与建构过程。这种教学模式导致学生对传感器原理及应用的认识趋于碎片化与表层化，既难以内化为物理观念，也无法有效提升科学探究能力。这与物理学科核心素养的培养目标存在明显差距。

1.3 教具开发的必要性

为弥补教学资源与教学需求之间的差距，增强学生对传感器知识的感性认识，亟须开发有针对性的系列自制教具。教学实践表明，将抽象的物理原理转化为可观察、可操作的实物装置，不仅能够有效激发学生的学习兴趣，也有利于引导学生主动探究，并在教学实践中落实物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等核心素养的培育目标。

2 核心素养导向下教具的设计与开发

在设计与开发教具前，需要深入研读教材与课程标准，结合学生认知特点，明确以下核心问题：学生对传感器知识的认知难点何在？教材中哪些内容需要实验支撑？教具应服务于哪个教学环节？如何通过教具实现核心素养的渗透？基于这些问题，有必要开展以下教具设计与开发工作。

2.1 基于干簧管的趣味演示类教具

干簧管的核心功能是通过磁场控制电路通断，但该原理较为抽象。设计此类教具，旨在帮助学生建立“磁场与电路通断”的关联认知，培育其物理观念与科学探究意识。

（1） 基础验证教具：验证干簧管可以起到开关的作用。

将干簧管、二极管、纽扣电池通过导线连成闭合回路。当磁铁靠近干簧管时，内部簧片被磁化而相互吸引，使电路接通，二极管发光；当磁铁远离干簧管时，簧片失去磁性而分离，电路断开，二极管熄灭。该教具结构简单，现象直观，能让学生初步感知干簧管的开关作用。

（2） 趣味拓展教具。

为激发学生的探究兴趣，可设计“魔术球”装置。将多种颜色的二极管与干簧管串联，嵌入球形塑料盒中，选用形似戒指的磁环作为控制元件；当佩戴磁环的手靠近魔术球时，球内发出彩色光亮；将多个魔术球悬挂成排，移动磁环，立即呈现出动态发光效果，从而增强了实验的观赏性与互动性。

（3） 功能延伸教具。

开发由磁环控制的小风扇与“电”字电路板。在小风扇教具中，可借助磁环与干簧管的距离变化控制风扇转速，让学生直观感受磁场作用强度与电路状态之间的关联；“电”字电路板由二极管拼接成“电”字造型并与干簧管串联，当磁铁靠近时“电”字发光，能够强化物理元素的视觉呈现效果，从而帮助学生建立具象化的知识表征。

2.2 基于干簧管原理的具象化教具

教材以图片形式介绍干簧管的原理。在教学中，如果没有相应的演示实验，学生对干簧管的认识仅仅停留在教材的图片上，既抽象又陌生。笔者利用身边常见的物品，如铁片、木板等材料制成教具，从而放大、显性化干簧管原理，便于学生更好地理解。

为此，笔者制作出如图1所示的干簧管原理演示教具。当强磁铁靠近铁片时，两铁片因磁化而吸附在一起，电路接通，二极管发光；当撤去磁铁后，两铁片因失去磁性而分离，电路断开，二极管熄灭。该教具能直观演示干簧管的工作原理，将抽象知识具象化，有助于学生理解。

为进一步提升实验效果，笔者引导学生思考如何进一步改进这一教具。例如，在自制干簧管基础上利用滑动变阻器和弹簧制作力传感器、位置传感器，实现自制传感器的升级。

2.3 生活应用类教具：“关门提示”教具

传感器的广泛应用是实现物理世界与数字生活无缝连接的关键桥梁。为此，笔者引导学生结合生活中门铃的工作逻辑，设计了一款“关门提示”教具，以此培育学生“从物理走向社会”的应用意识，增强其社会责任。

【制作方法】首先，用木板和木框制作一个简易的门模型，在门框上嵌入一块强磁铁，在门板对应的位置固定一根干簧管。当门关闭时，磁铁靠近干簧管使其闭合，从而触发提示电路（图2）。学生可依据图2所示电路完成组装，实现关门时的声光提示功能。组装完成后的正面效果如图3-a所示，背面效果如图3-b所示。闭合开关，打开门后，二极管发出耀眼的光，如图3-a所示，同时蜂鸣器发出刺耳的声音；关上门后，二极管和蜂鸣器停止工作。

制作教具不仅是一个“从无到有”的创造性过程，更是开发与丰富教学资源的重要途径，体现了“从生活走向物理”的理念。在制作过程中，选用什么样的材料是关键环节，如干簧管原理演示教具中的铁片就是从废弃的八宝粥铁盒上剪下的。作为物理教师，我们应当做生活的有心人，留心观察生活现象。例如，将类似的废弃物利用起来，开发成具有教育教学意义的教具。这不仅能将知识具象化，还能为学生树立变废为宝的榜样，从而培养他们节约资源与整合资源的意识^［4］。

经教学实践发现，关门提示教具的实验效果良好，其从生活实际出发的设计理念，迅速吸引了学生的注意力，让学生产生了浓厚的学习兴趣。同时，关门提示教具的电路结构层次分明，通过模块化设计将传感器、延时控制、语音输出等功能有机结合，有利于帮助学生分步理解传感器的工作原理及其在生活中的应用价值。在制作教具的整个过程中，从设计电路、选购元器件到连接实物电路、完成整体制作，每一步都需要学生亲自动手反复调试。在这一过程中，通过不断改进方法、创新设计，学生的实践能力得到了显著提升。

2.4 综合型传感器教具

为了让学生系统地认识不同类型传感器的工作特性，有必要整合光敏电阻、热敏电阻、干簧管等元件，制作综合教具，以培养学生的系统思维与对比探究能力。

为制作这类教具，笔者采用木板作为载体，设计4个并联支路：光敏电阻与二极管支路、铁片仿干簧管与二极管支路、热敏电阻与二极管支路、干簧管与小风扇支路，各支路配有独立开关（图4）。

实验现象：在强光照射下，光敏电阻支路中的二极管发光，但在黑暗状态中不发光；在常温下，热敏电阻支路中的二极管不发光，但靠近热源后会发光；在磁铁靠近时，干簧管支路中的小风扇会工作；在磁铁靠近时，铁片支路中的二极管会发光。

在教具制作过程中，为优化结构与保护元件，采用木板背面走线与安装电源的方式，用热熔胶固定易损坏的干簧管与二极管，并在铁片上方加装4 mm厚塑料板隔离强磁铁，避免了铁片变形。这些细节设计不仅体现了资源的合理整合，也向学生传递了节约资源、科学设计的理念，潜移默化地培育了学生的社会责任素养。其实验现象如表1所示。

3 教具的教学应用与核心素养培养路径

在教学中，笔者结合教学目标与学生认知特点，将系列教具分环节应用。教学设计采用多层次教具来推动教学：首先，以趣味魔术类教具（如发光魔术球、转速可控风扇）导入课堂，激发学生的探究兴趣；其次，以原理具象化教具（如干簧管原理演示装置）帮助学生突破知识难点，引导他们建构物理观念；接着，以生活应用类教具（如关门提示装置）联系生活实际，强化知识应用能力；最后，借助综合型教具开展对比探究活动，以培养学生的系统思维，并促使他们主动完成知识建构。

在培养物理核心素养方面，通过实验的演示，学生能直观感知磁场、光、温度等非电学量与电学量的转化关系，理解传感器的工作本质，逐步形成“相互作用与能量转化”的物理观念。在分析教具原理、设计实验方案、解释实验现象的过程中，学生运用归纳、演绎、推理等思维方法，理解传感器的工作逻辑，提升科学思维能力。

在这一探究过程中，学生经历了从观察现象、提出设想到制作教具、设计实验的全过程，提升了科学探究能力、创新意识和动手能力。其中，使用废旧材料制作教具体现了环保理念，培养了学生的资源节约意识^［5］；而通过了解传感器的实际应用，学生能体会到物理知识的社会价值，增强了科技服务社会的责任感。

4 教具的持续优化与教学反思

自制教具的优化，是“从有到精”的迭代过程。在初始设计中，曾出现干簧管易损坏、铁片变形、电路接触不良等问题，通过采用热熔胶固定元件、加装塑料隔离板、优化导线连接方式等措施，这些问题得以逐步解决。同时，根据课堂反馈，对教具尺寸、元件布局和操作便捷性进行优化，既能保证实验过程安全便捷，又能使实验现象清晰呈现，从而提升教学效果。

教学实践表明，系列教具的应用有效提升了学生的课堂参与度，但学生个体差异仍需重视。对此，教师应关注以下两方面：一是在电路连接等拓展环节中，对遇到困难的学生提供细致的引导；二是在综合教具探究任务的基础上，采取进一步分层设计活动，以满足不同水平学生的学习需求。

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后续工作将通过补充传感器在现代农业、智能生活等前沿领域的应用案例，丰富教学情境，有针对性地完善课程内容，最终构建更系统化的核心素养培育路径。

5 结语

核心素养导向下的传感器系列自制教具，坚持以教材为依托、以学生为中心、以生活为素材，将抽象的物理原理与规律转化为可观察、可操作、可探究的具体学习载体。教具的设计、制作与教学应用，不仅丰富了物理实验教学的形式与内容，有效提升了课堂质量，更在引导学生进行知识建构、能力发展与价值体认的过程中，有机渗透并培育了其物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任等核心素养。作为中学物理教师，我们应该持续挖掘现实生活中的物理教学资源，通过开发与应用自制教具，将抽象知识转化为直观体验，为核心素养导向下的物理教学注入更多活力，激发学生的科学探究兴趣，从而助力学生全面发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版） ［S］.北京：人民教育出版社，2018.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理选择性必修二［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[4] 杨喜军.拨云望月有奇效　优化体验是精品：取生活素材促物理实验改进的策略研究［J］.物理教师，2017，38（01）：36~38，42.

[5] 王理想.浅谈中学物理自制教具的开发［J］.物理教师，2015，36（10）：43-46.

基金资助

第三届湖南省基础教育改革重点项目“核心素养导向下初中物理实验‘四链’教学实践研究”(25JGZD0053)