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2019-2020年高中物理 3.1 傳感器教案 教科版選修3-2 80年代以來，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”，日本把傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為90年代的關(guān)鍵技術(shù)，我國把傳感器技術(shù)列為“八五”、“九五”的重點研究項目之一。由此可見，傳感器在當(dāng)今科技發(fā)展中所處的重要地位。xx年3月國家教育部頒布的《全日制高級中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）緊扣時代脈搏，將傳感器的教學(xué)納入其中，并在選修的所有三個模塊中都有對傳感器教學(xué)的要求，反映了《標(biāo)準(zhǔn)》的時代性。 本文將結(jié)合自己對課程標(biāo)準(zhǔn)中傳感器教學(xué)的認(rèn)識和理解，提供部分教學(xué)資源實例，供教師組織教學(xué)時參考。 1　對課程標(biāo)準(zhǔn)中傳感器教學(xué)的理解 1．1 《標(biāo)準(zhǔn)》中對傳感器教學(xué)的要求 《標(biāo)準(zhǔn)》強調(diào)對傳感器教學(xué)應(yīng)側(cè)重從技術(shù)應(yīng)用的角度展示物理，強調(diào)物理學(xué)科與技術(shù)的結(jié)合，著重體現(xiàn)物理學(xué)的應(yīng)用性、實踐性，并使用了諸如“了解”“知道”“體會”“制作”等動詞來描述對傳感器教學(xué)的要求。如，在《標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)部分的選修1-1模塊、選修2-1模塊和選修3-2模塊中都有關(guān)于傳感器的教學(xué)描述；另外，在附錄的第一部分“物理實驗專題”供選擇的實驗示例中也有“選用傳感器制作控制電路”，可見課程標(biāo)準(zhǔn)重視傳感器及其應(yīng)用的教學(xué)，并重視物理與STS的聯(lián)系。 那么，如何理解《標(biāo)準(zhǔn)》中這些關(guān)于傳感器的描述，從而搞好傳感器及其應(yīng)用的教學(xué)呢？ 下面，以選修3－2模塊為例來說明對課程標(biāo)準(zhǔn)中對傳感器教學(xué)要求的理解。 1．2 對《標(biāo)準(zhǔn)》中傳感器教學(xué)要求的理解 選修3-2模塊的三個二級主題中有一個是“傳感器”，內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生“知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的技術(shù)意義；通過實驗知道傳感器的工作原理；列舉傳感器在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用”，活動建議又一次提出“利用傳感器制作簡單的自控裝置”。 對此，筆者的理解如下： 標(biāo)準(zhǔn)第一點是要求學(xué)生知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的技術(shù)意義。對此，學(xué)生必須首先知道什么是非電學(xué)量和電學(xué)量，然后進(jìn)一步了解二者之間可以相互轉(zhuǎn)換的事實，最后據(jù)此了解其在技術(shù)上的意義。如，知道溫度、照度、氣體濃度等為非電學(xué)量，而電流值、電壓值、電阻值等屬于電學(xué)量。 標(biāo)準(zhǔn)的第二點要求學(xué)生通過實驗知道傳感器的工作原理。例如，“通過實驗認(rèn)識溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖饔谩?。此處只是指出通過實驗的方法，而并未指出究竟是教師演示實驗或是學(xué)生實驗、是課堂實驗還是課后實驗活動、是否需要探究，等等，所以，教師完全可以根據(jù)學(xué)生和學(xué)校的實際情況，設(shè)計符合實際的實驗方式。例如，若使用的傳感器為高壓傳感器，為學(xué)生安全著想，教師可以采用課堂演示實驗的方式；若使用的是低壓傳感器，就可以讓學(xué)生進(jìn)行分組實驗。與此相對應(yīng)，傳感器的工作原理可以用教師傳授，也可讓學(xué)生自行探究。若采用教師講授的方式，則教師應(yīng)緊密聯(lián)系生產(chǎn)生活實際介紹傳感器的原理和應(yīng)用，而不必深究傳感器的過深理論和難懂的工藝。 標(biāo)準(zhǔn)的第三點是要求學(xué)生列舉傳感器在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，如“了解光敏傳感器及其在日常生活中的應(yīng)用”。這一方面要求有條件的學(xué)校帶領(lǐng)學(xué)生參觀工廠、商場等地的傳感器設(shè)備以了解各類傳感器的工作原理、外型和作用等，體會傳感器給生產(chǎn)、生活帶來的各種益處。另一方面還要求學(xué)生使用多種資源去收集信息，多整理信息，最后形成書面報告在課堂上與教師和同學(xué)交流。這不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展他們的視野，還能培養(yǎng)學(xué)生收集信息、與他人進(jìn)行交流的能力。在教師進(jìn)行教學(xué)評價時，可趁采取口頭匯報、照片展、調(diào)查報告展等形式，多在結(jié)果交流后將調(diào)查報告、照片等書面材料裝入學(xué)生的檔案袋中，以便于進(jìn)行過程性評價。 “活動建議”提出“利用傳感器制作簡單的自控裝置”，即教師應(yīng)啟發(fā)學(xué)生根據(jù)自己生活合實際需要，設(shè)計和制作自控裝置，而非教師完全包辦。在學(xué)生遇到困難時，教師可給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和啟發(fā)。讓學(xué)生在設(shè)計和制作過程中加深對傳感器原理的理解，培養(yǎng)動腦和動手的技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，同時培養(yǎng)與他人合作的團(tuán)隊精神，最終讓學(xué)生感受到成功的樂趣。 2　新課程標(biāo)準(zhǔn)理念指導(dǎo)下的傳感器教與資源實例 2．1 常見傳感器的種類和用途 傳感器是能將所感受到的物理量（如力熱、光、聲等）轉(zhuǎn)換成便于測量的量（一般是電學(xué)量）的元件。其應(yīng)用十分廣泛，尤其是在自動繞制和信息處理技術(shù)方面的應(yīng)用。我們大家生活中常用的電視遙控接收器、電冰箱、聲控電燈光控電燈、家里用的電飯鍋、話筒；工業(yè)生產(chǎn)用的紅外探測儀、自動報警器、恒溫烘箱、光電計數(shù)器、涂料添加器等都用到了傳感器。 根據(jù)其使用的元件不同，傳感器可分為電阻式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、電感式傳感器、光柵式傳感器、熱電式傳感器、紅外線式傳感器、光纖式傳感器、超聲波式傳感器、激光式傳感器等。但不論哪種傳感器，其工作原理都大致相同。 2．2 傳感器的工作原理簡述 傳感器的工作原理為：通過對某一物理量敏感的元件將感受到的信號按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于利用的信號。如光敏電阻和氣敏電阻分別對光的強度和氣體濃度非常敏感，可以將感受到的光信號和氣體濃度信號等電量轉(zhuǎn)化為電量──電阻。 下面，我們將以氣敏電阻傳感器為例來說明傳感器的工作原理。 氣敏電阻傳感器是一種能將檢測到的氣體的成分、濃度等變化轉(zhuǎn)化為電阻值（電壓、電流值）變化的傳感器。TGS109型就是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的一種。 圖1是TGS109型氣敏傳感器的外形結(jié)構(gòu)。其核心是一個電阻──氣敏電阻（用Sn02半導(dǎo)體制成）。 如圖2所示，該氣敏傳感器等效于隨氣體濃度變化而變化的一個可變電阻R0在一定濃度范圍內(nèi)，它的電阻值R和濃度C的關(guān)系近似為。其中，R0是在空氣中的電阻，C為被測氣體的濃度。 可見，測得了電阻R，便測得了氣體濃度C，這就把非電量（氣體濃度）的測量和控制轉(zhuǎn)化成了對電量（電阻）的測量和控制，實現(xiàn)了傳感器的功能。 2．3 利用傳感器制作簡單的天然氣報警器 目前，家用天然氣灶和天然氣熱水器應(yīng)用十分普遍。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），若天然氣灶或天然氣熱水器等漏氣，輕則影響人的健康，重則對人身安全和財產(chǎn)造成損害（甲烷濃度達(dá)到4-16%時會產(chǎn)生爆炸）。因此安裝天然氣報警器，放置在家中容易漏氣的地方，對空氣中的天然氣進(jìn)行監(jiān)控和報警，是有意義和價值的。 由于TGS109型氣敏傳感器的制作工藝簡單、成本低、功耗小、靈敏度高，且主要用于制作燃?xì)鈭缶?。所以，我們將簡單介紹如何利用TGS109型氣敏傳感器制作簡單天然氣報警器。 原理說明：氣敏傳感器TGS109在空氣中的電阻較大、電流較小、蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)室內(nèi)天然氣濃度約為1%時，它的電阻較低，流經(jīng)電路的電流較大（此時電流方向如圖3中箭頭所示），可直接驅(qū)動蜂鳴器報警。由于該報警器適用、經(jīng)濟(jì)，其中的元件易購、電路簡單、方便學(xué)生動手制作，所以，廣大教師不妨在教學(xué)中讓學(xué)生自己動手制作。 制作前，師生共同準(zhǔn)備好電源、蜂鳴器、電阻等制作報警器的必備材料。 制作中，讓學(xué)生根據(jù)簡易天然氣報警器電路圖（圖3）連接電路。培養(yǎng)他們的動手能力。 制作完畢后，教師可讓學(xué)生自行檢測其作品是否能實現(xiàn)預(yù)期功能。如，用蚊香的煙等來測試報警器。 此外，在部分有余力的學(xué)生制作完畢后，可引導(dǎo)他們在天然氣報警器的基礎(chǔ)上增加部分電路制作成一個自動排風(fēng)扇。該自動排風(fēng)扇能感知廚房的油煙、香煙等造成的室內(nèi)空氣污染，少開動扇片，自動凈化室內(nèi)空氣。學(xué)生若能制作該自動控制系統(tǒng)，對于他們對傳感器及其應(yīng)用的理解會有更深一步的體會。 3　結(jié)語 傳感器的種類繁多，但各種傳感器的原理都是基于各種物理現(xiàn)象和物理效應(yīng)的，都體現(xiàn)了物理的實踐性和應(yīng)用性。我們對傳感器教學(xué)時，應(yīng)側(cè)重于應(yīng)用，應(yīng)注意它與基礎(chǔ)物理知識合聯(lián)系，應(yīng)關(guān)注學(xué)生的經(jīng)驗，不要過于艱深，應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生的知識與技能、過程與方法、情感維度與價值觀。注意物理與生活的聯(lián)系，注意物理與STS的聯(lián)系，盡力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生感受到知識的巨大用途，培養(yǎng)其能力全面發(fā)展，這也是課程標(biāo)準(zhǔn)的總目標(biāo)“進(jìn)一步提高科學(xué)素養(yǎng)，滿足全體學(xué)生的終生發(fā)展需求”所倡導(dǎo)的。