项目驱动教学法在物理社团活动中的应用——以“传感器应用”项目为例.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地科学素养项目驱动教学法在物理社团活动中的应用以“传感器应用”项目为例张昌华（福安市赛岐中学）摘要：在物理社团教学过程中通过项目教学法设计和制作基于传感器的项目，学生可以掌握传感器的原理、结构、性能和分类，以及传感器的安装、调试和检测方法。同时，通过完成项目，学生可以实现理论与实践相结合，提高分析问题和解决问题的能力，并体验到沉浸式学习的乐趣。关键字：双减；物理社团；项目驱动教学法；传感器；自动消毒消防多功能垃圾桶引言自从国家提出关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见（简称“双减”)政策以来。从社会和学校对教育教学的理念和需求都发生了变化,要减少学生过重学业负担，给于学生自由发展空间。国家还提出开展课后服务满足学生多样化需求，各校响应国家政策，充分利用课后服务开展各种社团活动来丰富学生课余生活。作者所处义务阶段中学也成立初中物理社团。物理社团是由对物理有兴趣的爱好者相聚而成的互益组织，组织成员以学生为主，教师是组织者。物理社团将为物理爱好者提供理论联系实际和培养创新思维活动场所。为了让学生在社团中自由探究又有小组合作和培养学生解决问题能力，本文探讨传统教学模式与社团教学模式区别，从而确定以项目教学法做为物理社团主要教学方法，利用传感器设计“自动消毒消防多功能垃圾桶”项目完成本学期的课程教学设计。1物理社团教学模式与传统的物理课堂模式区别（1）教学方法不同：传统教学模式以课堂讲授为主，注重知识传授和考试成绩，而社团教育注重通过学生自主参与、自我管理和自我实践进行知识和技能的积累和创新。（2）学习目的不同：传统教学模式注重学生对各个学科知识的掌握，而社团教育则注重培养学生的兴趣和爱好，提高他们的综合能力和创造力。（3）教学资源不同：传统教学模式借助书籍、课件等教学资源进行教学，而社团教育依赖更多的是社团团体自身的资源和互联网等平台的支持。（4）师生角色不同：传统教学模式中，教师是学生的主导者和引路人，而在社团教育中，教师更多扮演着指导者和激发者的角色,鼓励和引导学生的自主探索和创新。（5）所学内容不同：传统教学模式中，教师主要教授本学9科内容，而社团可以应用跨学课知识进行探究学习。2教学方法项目驱动教学是一种建立在建构主义理论基础上的教学方法，是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，采取小组讨论、协作学习等多种方式，在教师的指导下共同完成项目任务的一种教学方法，其特点是以学生为中心、教师为指导、项目任务为基础的新型教学模型。作者通过以物理社团学生为载体，按照人数划分为多个项目小组，而教师在项目中，将知识点分拆、分化，并在教学中用少量的时间以“启发式”方法引导各小组通过查找资料、小组合作，从简单认识各种类型的传感器到利用传感器完成单一功能电路设计，最终实现具有复杂功能的科技产品。整个项目创作过程中培养学生动手能力并把理论知识联系实际从而完成知识吸收与内化，在解决问题过程中激发学生创新精神。3教学设计与实践物理课程标准（2 0 2 2 年版）指出：“强化课程综合性和实践性，推动育人方式变革，着力发展学生核心素养凸显学生主体地位，坚持与时俱进。反映经济社会发展新变化，科技技术进步新成果 2 1。课程标准在跨学科实践中还指出：“初中生结合实例，了解一些新材料的特点及应用”。传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置 3 。传感器是现代科技重要结晶，广泛应用于生产生活中，特别人工智能技术发展，传感器作为探测器被大量采用，因此把传感器引人物理社团是必然趋势也是时代需求。3.1项目选题选用生活案例和热点问题设计项目，学生通过运用所学传感器知识解决问题，并激发学生的学习兴趣，为学生高质量地完成项目教学任务奠定基础。项目背景：(1)疫情2019年末开始新型冠状病毒在世界范围内大流行，给人类生命带来严重的威胁，各国政府都想尽办法阻止病毒的传播。国家鼓励民众做好个人卫生和公共卫生，要求不能随地吐痰、随地扔垃圾、每个人佩戴口罩、最后产生的垃圾分类消毒处理。在家庭产生的垃圾也是防疫的重点，特别是在外用过口罩的处理至关重要，而传统的垃圾桶只有储存无消毒功第2 0 卷总第1 1 5 期能这就存在防疫漏洞。(2)消防每年新闻都有报道由于烟蒂引燃垃圾桶引发火灾，虽然公众都知道不能把燃烧的烟蒂扔入垃圾桶，会对烟蒂简单地处理，但含有余温的烟蒂碰到易燃物也会引起火灾。如果有一种垃圾桶可以发现垃圾桶内燃烧的烟蒂或出现烟雾和温度突然升高时就能及时报警并灭火，就能把安全隐患消灭。社团以时小组为单位分组讨论并由教师组织各组充分交流，最终社团决定完成一个具有消毒和消防多功能的垃圾桶项目，体现教学以学生为主体、教师为主导的教育理念。3.2项目可行性分析社团经过讨论实现“自动消毒消防多功能垃圾桶”需要解决的有五大问题：（1)垃圾桶种类的选择；(2)控制平台的选择；(3)采用什么方法才能判断垃圾桶盖打开还是关闭；（4)传感器的选择；（5）消毒方式的选择。3.3设计与论证方案问题一解决方案：市场上存在各种功能的垃圾桶，但无同时具备消毒、消防功能垃圾桶，解决方法一：利用市场上已经具有消毒功能的垃圾桶进行改造增加消防功能，现有的消毒垃圾桶都是采用紫外消毒，但是由于厂家把软件集成在芯片里了，很难修改再二次开发,增加消防功能。解决方法二：如利用市场上最简单功能的机械垃圾桶，从基础开始开发工作量大，但可以根据需要而设计，最终选择以机械垃圾桶为本项目的基础平台。问题二解决方案：由于要处理传感器数据就涉及到处理平台，市场上有树莓派、Arduino、单片机，在指导教师建议下，选择一个开源平台Arduino，通过了解Arduino更适合控制硬件，其平台主要采用C/C+语言，信息课有涉及Arduino和C语言编写程序。问题三解决方案：当主人打开垃圾桶盖，把垃圾扔人后，怎么知道垃圾已经扔完了？要解决这问题是通过判断垃圾盖是否重新盖上了，问题变成怎样判断垃圾桶盖关闭。经过全一、项目基本情况项目名称：项目时间：二、项目教学进度表任务/模块第一阶段了解各种传感器使用方法和原理第二阶段利用传感器实现温控、火焰报警、消防消毒模块第三阶段Arduino编程实现对各模块控制第四阶段测试项目功能、验收中学理科园地体社团多次交流讨论，上网查资料及指导教师建议，先采用水银开关（倾侧开关）尝试解决，但效果不好。水银开关灵敏度不够，且在桶盖上安装比较困难，很容易变形。后来经过多方查资料及多次试验，利用霍尔传感器当开关，在垃圾桶身上安装一个磁铁，霍尔传感器安装在桶盖上通过靠近和远离磁场强弱的变化，产生电流信号，判断出桶盖闭合或断开，通过判断盖子的闭合来表示扔垃圾行为结束。问题四解决方案：这个项目要用到多种传感器，虽然平时教师有简单介绍传感器，具体市场上有多种传感器和使用方法都不了解。按项目功能分别去网上寻找能够感应温度、湿度、烟雾、火焰的传感器。由于本项目要用到的传感器比较多，通过比较最终选用温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器，难点是每种传感器的连接方式都不同，其中还遇到网上购买的传感器质量有问题，为问题的解决增加了难度，最终查了很多参考资料并经多次试验才解决。问题五解决方案：消毒和消防是本项目的重要功能，市场消毒主要采用紫外线消毒和稀释8 4 消毒液消毒。紫外消毒需要照射一定时长才有效果，并且物品不能遮挡消毒效果才好，紫外线消毒功率比较大需要大电源，一般应用大型消毒柜。稀释8 4 消毒液消毒成本低廉，虽然会在物体上有残留液体对消毒物体有一定的腐蚀，但对本项目无影响，并且利用稀释8 4 消毒液还可以用来为消防功能的实现提供水源。最终通过分析选择稀释8 4 消毒液为消毒原材料，利用垃圾盖闭合后Arduino控制水泵工作2 秒进行抽消毒液喷洒垃圾，如果遇到火情水泵不断喷洒并报警实现消防功能。3.4项目教学设计教师预先整理分析项目可能涉及的知识，对项目进行功能分块与知识点分解，制定项目进度表，通过教师的引导和启发,构建(项目模块，知识点)的课程节点模式，并作为学生课程任务，由学生逐步深人项目建设，最终完成系统构建。课程以学生为主体，以项目实践引领知识点的学习与贯通。以“自动消毒消防多功能垃圾桶”项目教学为范例，以具有一定电学基础，能够熟练使用电流表、电压表,并对串并电路特点和连接有充分了解，还具有Arduino编程经验的初三学生组成社团，设计出这学期的教学进度表（表1）。表1物理社团项目教学进度计划表自动消毒消防多功能垃圾桶指导教师：成员：月份3月目标周次计划时间完成时间计划时间完成时间计划时间完成时间计划时间完成时间科学素养5月6月123456 7891011121314 15167月评价10第2 0 卷总第1 1 5 期3.5教学实践按项目功能模块将社团分为三个小组，每个小组分别完成相应知识资料查阅和功能设计。任务如下：第一小组查阅霍尔传感器、火焰传感器原理和使用方法，并完成传感器在垃圾桶安装和测试。第二小组查阅烟雾传感器原理和使用方法，动手设计水泵电路和安装。第三小组查阅温湿度传感器原理和使用方法，并利用Arduino实现对传感器控制。教师为学生确立学习任务目标，让学生在相应的项目情境中进行探究式自主学习，教师在学生自主学习过程中鼓励学生表达自己对问题看法和创新想法，引导学生通过传感器实践加深对理论知识理解。在完成项目模块后，鼓励学生撰写实验报告和记录解决问题的心得体会，以此提高学生分析能力和总结能力。每次活动都预留十分钟让每组代表分享学习过程的收获，提出项目实践过程遇到的困难由全体社员交流和讨论。社员之间可以取长补短做到知识和思维的共享，也培养合作和协作精神。最后教师需要对其进行评讲总结，分别指出其存在的问题或不足，然后进行针对性教学引导，整体层面提高学生的物理知识学习能力，凸显项目教学的价值。3.6项目验收与评价图1 为项目传感器连接图，图2 为局部实物组装图。本作品是集消毒消防为一体的垃圾桶，解决生活中垃圾桶细菌多不卫生，并解决特殊时期防疫生活垃圾消毒问题。本作品安装各种传感器利用传感器反应灵敏实时监控起到监控火情的作用，本垃圾桶可以放在公共区域使用能阻断疫情传播和预防火灾。通过完成项目，学生可以实现理论与实252528528525285252852285228528525285252528228522585252852852285282285282852825252852252525252525285(上接第8 页）思维拓展1（保守力做功特征）：重力做功与路径和参考面都无关，其他力(如摩擦力)做功是否也有这种特点？学生联系前后知识对比发现重力做功的特殊性，教师顺势引导出“保守力”的概念。思维拓展2(势能的系统性）：结合定义式Ep=mgh提出问题：重力势能是谁具有的？物体m的还是地球的？?让学生思考并探讨得出Ep是物体和地球共同具有的。通过以上学习探索情境创设，学生围绕重力势能这一核心概念，在逐级递进的实例探究中，不断地产生新质疑，提出新问题，解决新问题，将前概念学习中的思维和方法进行合理迁移，不仅有效地完善和拓展了概念本质，更在概念的应用中有效实现了学生的创新思维发展。中学理科园地水泵电源图1践相结合，提高分析问题和解决问题的能力，培养团队精神、协调沟通和表达表现的能力。因此，项目教学法是提高学生传感器技能水平的有效方法，本作品还参加第3 7 届福建省青少年科技创新大赛荣获三等奖。4结语在“双减政策下开展物理社团活动能丰富学生的课余活动，激发学生学习物理的兴趣，采用项目教学法让每个社员都是知识的贡献者和收获者，享受物理社团学习的快乐。在“自动消毒消防多功能垃圾桶 整个项目中，学生是项目设计与实施的主体，有利于初中生对传感器原理的理解，还在实践过程中培养学生理论联系，团队的协作的能力。参考文献：1谢丽萍基于认知规律的项目驱动式翻转课堂教学模式研究 J.软件工程,2 0 1 8,2 1(1):4 4,4 5-4 7.2中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版)S.北京：北京师范出版社,2 0 2 2.3吴建平.传感器原理及应用 M.北京：机械工业出版社，2016.4结束语当然，一堂课的思维训练，不可能尽善尽美，但只要教师有训练学生思维的意识，并在日常物理概念教学中积累素材资源，通过巧妙的情境创设，精心设计问题链，让学生在具体的实例探究中逐步具备模型构建，迁移运用，合理归纳、演绎、类比等科学推理能力，深化对概念的理解和应用,渗透科学思维训练的方法，对学生科学素养的形成必定会起到积沙成塔的效应。参考文献：1中华人民共和国教育部普通高中物理课程标准（2 0 1 7版)S北京：人民教育出版社，2 0 1 7.科学素养图211