关于高中生应用简单传感技术的创新研究

——“以传感器为载体的物化课程建设”的子课题研究

南京市金陵中学 210005 徐锐 崔卫国

摘要：本文借助教学中的实践经验阐述了高中生在应用简单传感技术方面的可行性，并指出了开展课程的特色和意义，为高中的校本实践课程的开发提供了参考和借鉴。

关键词：传感器 实践能力培养 创新 调整与完善

正文：

“以传感器为载体的物化课程建设”课题的初步目标是为对电子、信息技术有兴趣的高中生提供一个实践的平台，培养现阶段高中学生动手实践的能力，并以了解、熟悉、尝试设计智能控制、智能测量的电路或器件为最终目标。具体地讲，通过该课程让学生了解传感器的基本原理，学会功能的初步应用，经过一个阶段的自我实践，学生能使用传感器元件或关于传感器的集成元器件，甚至结合单片机的某些功能，最终能够实现生活中某些自动控制、自动检测的功能。如果该目标或目的能够基本达成，该课题就具有现实的推广意义。高中学生或将来的大学生的科学素养就不仅仅表现在理论的层面，在实际应用的过程中会不害怕，敢于动手，能够将自己的设想在较短的时间内付与实践。

通过几年的实践，在对学生仔细观察和与学生共同沟通的基础上，我们初步认为：在高中阶段开展关于传感器简单技术的实践课程是可行的，是有意义的。

一、           课程的构想与课程内容的创新特色

苏教基〔2011〕27号《江苏省教育厅 江苏省财政厅关于启动普通高中课程基地建设的通知》（以下简称“通知”）中提出，“高中阶段教育是学生个性形成、自主发展的关键时期，对提高国民素质和培养创新人才具有特殊意义。课程基地是以创设新型学习环境为特征，以改进课程内容实施方式为重点，以增强实践认知和学习能力为主线，以提高综合素质为目标，促进学生在自主、合作、探究中提高学习效能，发掘潜能特长的综合性教学平台。建设课程基地旨在不断改进教学方式、引导学生高效学习，促进教师专业成长，推动学校特色发展。通过课程基地建设，有利于改变长期以来普通高中应试导向、千校一面的现象；有利于引导学校将工作重点集中到强化教学环节、提高教育质量上来，减轻学生过重的学业负担；有利于纠正重课内轻课外、重知识轻能力、重书本轻实践的现象，以多样化学习，激发学生学习兴趣，挖掘学生实践潜能和创造潜能，办人民满意的教育。”

根据这一精神，我校除了设有丰富的选修课之外，还从目前的社会现状和本校的地理优势出发，申报了“以传感器为载体的课程基地建设”的课题，力求在实践的层面带领学生尽快融进现代化的科技信息时代，将快速发展的外部世界和高中的教育教学有机结合起来。传感器，这个贯穿在全世界每一个角落的元器件，它正分分秒秒地发挥着巨大的作用。高中物理课程介绍了传感器的简单原理和简单应用，学生能感受到它的妙用，但似乎又有点远离它，因为我们没有足够的时间和空间去关注它，研究它。而特别有兴趣的学生群体有进一步了解的愿望，有动手实践的冲动，有着发自内心的需求！为了这部分学生群体，《以传感器为载体的课程建设》最终申报成功，目前正成为金陵中学师生讨论和研究的一个崭新话题。该课题也正成为南京市教育科学“十二五”规划课题之一。

该实践课程的建设体现了如下几点创意：

（1）“以传感器为载体的物化课程建设”体现了课程先进理念和有效实践的结合，在“学思结合、知行统一”上，在“实践性、互动性、实效性”上有着充分发展的空间；初级课程“以学生为主体，面向全体学生”，高级课程体现了“因材施教，各尽所长”的育人理念。

（2）“传感器”的有效运用，能够形成开放、创新、互动的教学创新载体，在合作、交流、资源共享方面有很好的结合点，是促进学生自主学习的极好互动平台。

（3）“以传感器为载体的物化课程”是形成学生实践创新的有效路径。学生有着亲身的体验和感知，在实践应用中可以巩固知识、增强技能，能够逐步养成学生勤于动手、敢于创新、善于创造的行为习惯。通过“做中学”能为学生将来的发展多储备一点实践的经验。

根据“通知”精神，“建设促进自主学习的互动平台。优化教学过程，高度重视技术推动的互动学习平台的研发，运用新理念、新技术、新方法、新手段，开发建设人机互动、自主测验的教学用具、设施设备和教学场所，激发学生主动学习、自主学习、快乐学习的内生机制的产生。”这种课程物化的新设想，将推动学生从书本转向向实践层面，形成新的探究点、丰富了创新课程的理念，是对新课程理念的有益补充和提升！

二、           课程丰富了高中生的阅历，增强了动手实践的能力

21世纪，我们浸没在科技信息的时代里，快速发展的外部世界正将高中的教育教学远远甩在后面。学生对环境的感知、好奇和发自内心的释疑愿望正成为开设这一事件课程的动力，学生通过这一课程的学习积攒了经验，拓宽了视野，稳固了已有的兴趣，为将来的发展奠定了基础，以传感器为载体的物化课程的建设迎合了学生的兴趣和迫切需求，这让该课程的建设具有重大的现实意义。

我们目前生活中的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机和传感器。如手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件等，汽车上一般配备40多部单片机和更多的传感器元件。因此及时了解传感器，会简单使用传感器成为高中生的一种必要能力，这种“与时俱进”的特点让该课程成为新课程建设的及时补充和有机完善。

然而，我们现在的高中生大多沉浸在纯知识的学习中，会玩智能机，会应用遥控玩具，但对它的智能控制原理知之甚少。“有兴趣，动手能力弱”是这个时代的学生通病。我们目前开展的这个传感器的实践课程受到了学生的欢迎。

当学生制作一个简单的电子产品时，我们看到的他们的专注和耐心了；当学生成功调试好简单的电子产品时，我们看到的是他们的灿烂笑容。在课程实施的过程中，学生兴趣高昂，动手实践的愿望特别强烈。学生对成功搭建一个电路总是充满喜悦，常常用手机记录实践的经历。有一次，一位学生在制作光敏电阻的电路后，将之移到阳光下，“西游记”主题音乐便缓缓响起时，他的兴奋之情简直难以描述。如果这位学生只是在课堂里跟着老师学习原理而没有这种实践的经历，可能我们都不能意识到已经错过了一种真正意义上的学习，只有你看到学生享受他的作品时，我们才知道置身于实践的课程是如此的有价值！学生愿意动手实践，其实是天生的。“好玩”是孩提时代的心理特征，“实践有水平，理论有提升”才是高中学生的形象。

    一年的课程建设的实践，我们已经取得了一些期望中的成果。在金陵中学一年一度的科技节中，今年的学生有了新的元素，那就是传感器。比如：

     （1）      天黑了路灯自动点亮，天亮了，路灯自动熄灭，如图1。

 （2）       学生制作的新型磁石搅拌机，没有常规的搅拌杆，隔着容器就可以进行搅拌，如图2。

 （3）       学生徐荻明制作节能风扇，一改常规的扇叶的驱动方式，大大节省了能量，这项小发明在南京市中学生的评比中获得一等奖，如图3。

附：新型节能风扇的简要介绍（南京市金陵中学高二11班 徐荻明）

该科技发明是在学习了物理电磁学基本原理后，受到当今电子电器产品小型精致化潮流的启发，结合在学校机器人制作中电子模块使用经验，将它们综合运用到新型电扇的设计中。传统电扇将电机放在扇叶中心，电机产生的扭矩较小，发热量大，能效不高；电扇厚度大，比较笨重；既然电能产生磁场，磁场能推动磁铁，那么将电磁体与永磁体设置在电风扇边缘，所产生的扭矩肯定比中心电机强，于是设计了采用光电传感器控制的轮式电机，制成了轻巧节能的超薄平板电扇。下面是该节能风扇的工作原理介绍：

（a）状态一：电扇加电时，通过光电传感器一控制启动A、F电磁线圈，两磁铁间形成顺时针推力，则可使圆环转动。

（b）状态二：当光电传感器一停止工作时，光电传感器二进入工作状态，启动D、I电磁线圈；

（c）状态三：当光电传感器二停止工作时，光电传感器三进入工作状态，启动B、G电磁线圈；

（d）状态四：当光电传感器三停止工作时，光电传感器四进入工作状态，启动E、J电磁线圈；

（e）状态五：当光电传感器四停止工作时，光电传感器五进入工作状态，启动C、H电磁线圈；

（f）回到状态一：当光电传感器五停止工作时，光电传感器一又进入工作状态，启动A、F电磁线圈，进入下一循环。

由此可见，高中学生的创新能力并未泯灭，适度的引导和激励总能激发出学生的青春活力。

三、           该实践课程的自我调整与完善

该课程开展的初始目的首先是让学生了解传感器的基本原理，了解某些智能化的功能和初步的应用，并通过一个阶段的自我实践，学生能较熟练地使用传感器元件或关于传感器的集成元器件；其次是结合单片机的某些功能，形成较高级阶段的实践训练，最终能够在生活中实现某些自动控制、自动检测的功能。

比如，从学生可以操作的层面看，学生具备关于电路实践的基本能力后，根据生活中的某些需要如自动控制或测量的方面，可以进行实践层面的综合性思考。比如课后小组综合设计：利用这些传感器，在生活中你可以实现哪些自动化的控制（参考案例：银行商场门口的自动门、电梯的自动门、商场电梯的速度与人数的控制研究）。

从教学内容上看，教学中需要多少个的教学电路能够基本有数，只是需要进一步整理。教学中如何有机安排理论认识和实践操作，如何发掘学生的创新设想，如何指导和激励学生将设想转化成产品，等等，这些我们心中基本有了较为清晰的轮廓。在下一年的课程建设中，我们会作出更多的调整和改进。

在课程构想初期，我们预想进行单片机的基本功能和简单编程的介绍，希望从更为高级的角度进行传感器的实践教学。但后来一年的实践发现，单片机的教学难度超过了我们的想象，除了教师的知识不足，更有学生无法在短时间内参与进来。因此，我们后来放弃了这一内容。从可以操作的角度，我们进行了简易机器人的搭建的学习，效果就很好。

    在不断改进教学的同时，我们还带领学生学习并经历一个综合的实践活动，比如花房的自动化管理的建设。在学期的还邀请大学老师给全体师生做一次讲座，是关于目前的科技现状与将来的研究漫谈方面。这是一个与时俱进的思考，象目前的物联网技术快速发展，传感器在其中大显身手，学生应该了解当前的科技发展动态。。

今后需要进一步调整或规划的工作：课程适用对象的人数增加；教学内容与实践内容有效结合的调整举措，比如单片机的教学可以删去，对高中生来讲很难，有兴趣的学生可以自己选修；学生创新设想的展示与更早实现设想之间的思考；在实践基础上的课程教材内容的初步构建；课程网站的建设和进一步完善；在学生评价上要更多地进行思考，拿出评价的具体细目。

四、           课程的意义再认识与课程开展展望

“以传感器为载体的物化课程建设”体现了课程先进理念和有效实践的结合，在“学思结合、知行统一”，在“实践性、互动性、实效性”上有着充分发展的空间；初级课程“以学生为主体，面向全体学生”，高级课程体现了“因材施教，各尽所长”。“传感器”的有效运用，能够形成开放、创新、互动的教学创新载体，在合作、交流、资源共享方面有很好的结合点，是促进学生自主学习的极好的互动平台。高中阶段既是学生学习知识的高效时期，也是学生希望亲自动手实践理论的有效时期，尝试开设这样的课程是很有必要的。该课程的意义更在于它的存在是新课程实践的很有意义的有益弥补。

金陵中学有着校本课程建设的丰富经验，现在又顺应时代的需要提出“以传感器为载体的物化课程建设”，力争为全省甚至全国的新课程教育开拓新的领域，这也是为金陵中学学生的发展又营造一个新的场所、新的空间。经过一年到两年的初步实践，逐步完善教学培养机制，教师可以形成一定的经验，计划在三年内形成知识系统、规划合理、实践操作性强的培训教材；学生可以形成一定的创意产品。在高中阶段我们可能做不到专业式人才的培养，但三年内，学校的教育总应该在某些方面有彰显学生自己个性的“某个方面”，让学生的兴趣得以持续，让学生的创新思维有一个可以“生活”的空间！在将来的某一天，这种经历或受到激发的创新总会找到它得以生存或发展的土壤。

当课程建设逐渐迈向成熟之际，我们可以向社会开放，展示、推广江苏省在新课程教育领域的积极改革成果，在那个时候，江苏省的“与时俱进、开拓进取、提升素质”的创新课改精神将在金陵中学的“物化课程”中得到实现和提升！