高中物理选择性必修二《利用传感器制作简单的自动控制装置》教学设计

高中物理选择性必修二《利用传感器制作简单的自动控制装置》教学设计一、教学基本信息（一）课题名称：利用传感器制作简单的自动控制装置——基于核心素养的物理实验探究教学设计（二）授课年级：高中二年级（三）课程类别：选择性必修课程第二册第五单元实验课（四）课时安排：2课时（90分钟）二、教学背景分析（一）教材分析【基础】本节课选自高中物理选择性必修第二册第五单元，是学生在学习了传感器的工作原理、常见类型及基本特性后的第一个综合性实验。教材从理论走向实践，旨在引导学生将抽象的传感器知识转化为具体的应用能力。通过动手制作自动控制装置，学生能够深入理解传感器如何将非电学量转换为电学量，以及如何利用电子电路实现对被控对象的控制。本节课不仅是传感器知识的深化与应用，更是培养学生工程思维和创新能力的重要载体，为后续学习更复杂的电子控制系统打下坚实基础。（二）学情分析【重要】高二学生已经具备了一定的电学基础知识，掌握了电路的基本连接方法，了解了常见元器件如电阻、电容、二极管、三极管的作用。通过前面的学习，学生对光敏电阻、热敏电阻等传感器的基本特性有了理论上的认识。然而，学生普遍缺乏将理论知识应用于实际电路设计的经验，对电路调试、故障排查的能力较弱，对于如何根据实际需求选择合适的传感器并设计合理的控制电路仍感困惑。因此，本节课的教学重点应放在引导学生从实际需求出发，经历完整的“需求分析—方案设计—元件选型—电路搭建—调试优化—总结反思”的工程实践过程，在动手实践中深化对原理的理解，培养解决复杂问题的能力。（三）设计理念【非常重要】本节课以建构主义学习理论为指导，深度融合STEM教育理念，强调在真实情境中学习。教学设计遵循“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，以学生为中心，以问题为纽带，以实践为核心，以创新为目标。通过创设贴近生活的任务情境，激发学生的内在学习动机；通过小组合作探究，培养学生的团队协作与沟通能力；通过开放性的设计任务，鼓励学生发散思维，寻求多种解决方案；通过严谨的实验调试，培养学生实事求是的科学态度和精益求精的工匠精神。三、教学目标设计（一）物理观念1.理解传感器作为信息采集装置的功能，能够将力、热、光等非电学量转换为电流、电压等电学量。2.巩固电路的基本概念，理解电磁继电器在自动控制电路中的作用，建立完整的“采集—处理—执行”自动控制系统模型。（二）科学思维1.能够根据实际控制需求，分析并设计合理的自动控制方案，如光控、温控电路。2.运用分析、比较的方法，评估不同传感器、不同电路结构对控制效果的影响，培养工程思维和系统思维。3.【难点】通过分析电路图，能够推理出电路中各点电势、电流的变化规律，解释自动控制实现的逻辑。（三）科学探究1.【核心】能够根据任务要求，自主选择光敏电阻、热敏电阻、电磁继电器、三极管等元件，设计并搭建简单的自动控制电路。2.学会使用万用表测量电路中关键点的电压和电流，能够根据测量结果判断电路工作状态，并进行有针对性的调试与优化。3.【高频考点】经历完整的实验探究过程，包括提出问题、设计实验、动手操作、收集数据、分析论证、评估反思，提升实验探究能力。（四）科学态度与责任1.在小组合作中，积极承担个人责任，乐于交流与合作，尊重他人意见，形成良好的团队精神。2.在实验调试遇到困难时，能保持耐心，坚持不懈地寻找问题根源并加以解决，培养严谨求实、精益求精的科学态度。3.认识传感器技术在自动控制、智能家居、工业生产中的广泛应用，体会物理知识对社会发展和人类生活的巨大推动作用，增强科技强国的社会责任感。四、教学重难点（一）教学重点1.光敏电阻、热敏电阻的特性及其在电路中的应用。2.电磁继电器的结构、工作原理及其在自动控制电路中作为“开关”的作用。3.利用基本电子元件（电阻、三极管、继电器）与传感器组合，设计并搭建简单的自动控制电路（如光控灯、温控报警器）。（二）教学难点1.【难点】【非常重要】理解并正确使用三极管在电路中的开关特性（放大区、饱和区、截止区）来实现对继电器线圈电流的精确控制。2.【难点】如何根据传感器的特性曲线和被控对象的需求，计算并选择合适的分压电阻，设定合适的控制阈值（如光多强时灯亮、温度多高时报警）。3.电路故障的诊断与排除。五、教学准备（一）器材准备（每小组）1.电源：学生用直流稳压电源（或46节1.5V电池组）1套。2.传感器：光敏电阻（型号例如GL5516）1只，负温度系数热敏电阻（NTC，例如MF52103）1只。3.执行器：5V直流电磁继电器（含常开、常闭触点）1个，发光二极管（红、绿各1只），小型直流蜂鸣器1个。4.控制元件：NPN型三极管（例如9013或8050）1只，电位器（例如10kΩ）1只，定值电阻（100Ω、1kΩ、10kΩ等）若干。5.测量与连接工具：数字万用表2块，面包板1块，面包板连接线若干，剥线钳1把。6.负载：3.8V小电珠（带灯座）1个，或小型直流电机1个。7.其他：不透光黑布、热水、冰水、烧杯、导线等。（二）资料准备1.多媒体课件（含传感器应用视频、电磁继电器原理动画、电路搭建演示视频）。2.实验任务卡（包含基础任务和拓展任务要求）。3.小组实验记录单（含电路设计草图、测量数据记录表、问题分析与反思）。六、教学实施过程第一课时：光控路灯模拟装置的设计与制作（一）创设情境，引入课题1.播放视频：展现城市道路路灯在黄昏时自动点亮、黎明时自动熄灭的壮观景象；展示智能家居中，走廊灯在人经过时自动亮起，人离开后自动熄灭。2.提出问题：这些灯是如何“看见”天亮天黑，又是如何“知道”有人经过的呢？这背后蕴藏着怎样的物理原理？3.引出课题：今天我们就来当一回“小小工程师”，亲自动手设计和制作一个能模拟路灯自动控制的光控装置。（二）回顾原理，明确任务1.【基础】引导学生回顾光敏电阻的特性：光照越强，电阻越小；光照越弱，电阻越大。2.【重要】引导学生思考如何利用光敏电阻的阻值变化来控制灯的亮灭。1.3.直接连接可行吗？为什么？（不行，因为光敏电阻只能改变电流大小，无法直接驱动大功率灯泡，且无法实现“开”或“关”的明确状态切换。）4.引出核心元件——电磁继电器。通过动画演示其工作原理：电磁铁通电产生磁性，吸引衔铁，从而带动触点动作，接通或断开被控电路。5.明确本课时核心任务：设计并制作一个光控路灯模拟装置。要求：天黑（光线暗）时，小电珠自动亮起；天亮（光线强）时，小电珠自动熄灭。（三）方案设计，电路分析1.【重要】引导学生分组讨论，设计电路方案。核心问题：如何让光敏电阻阻值的变化，转化为继电器线圈中电流的有无？1.2.教师提示：可以尝试将光敏电阻与一个固定电阻串联，组成分压电路，利用分压点的电压变化来控制一个电子开关。3.引出三极管（NPN型）的开关特性：1.4.介绍三极管的三个极：基极(b)、发射极(e)、集电极(c)。2.5.讲解工作原理：当基极与发射极间的电压(Ube)大于开启电压（约0.7V）时，三极管处于导通状态（饱和导通），ce间相当于一个闭合的开关；当Ube小于开启电压时，三极管处于截止状态，ce间相当于一个断开的开关。3.6.强调三极管的“开关”作用：用小电流（基极电流）控制大电流（集电极电流）。7.在教师引导下，师生共同构建完整的电路原理图：1.8.控制电路部分：光敏电阻Rg与电位器（或固定电阻）R1串联，接在电源正极和地之间。将二者的连接点（A点）连接到三极管的基极。2.9.继电器驱动电路部分：继电器线圈接在三极管的集电极和电源正极之间。三极管的发射极接地。3.10.为了保护三极管，在线圈两端反向并联一个二极管（续流二极管）。4.11.被控电路部分：小电珠与继电器的一个常开触点串联，并接入另一路电源（可与控制电路共用同一电源）。12.【难点】分析电路工作原理：1.13.白天光线强：Rg阻值小，A点电压低（通过调节R1使Ube<0.7V）→三极管截止→线圈无电流通过→继电器不动作，常开触点断开→小电珠不亮。2.14.黄昏光线变暗：Rg阻值变大，A点电压升高，当Ube≥0.7V时→三极管导通→线圈有电流通过→继电器吸合，常开触点闭合→小电珠亮起。3.15.夜晚再次天亮：Rg阻值变小，A点电压降低，Ube<0.7V→三极管截止→线圈失电→继电器释放，触点断开→小电珠熄灭。（四）动手实践，搭建电路1.分发器材，介绍面包板的结构和使用方法，强调连接规范。2.学生以小组为单位，根据电路图在面包板上开始搭建电路。3.【核心素养】教师巡回指导，重点关注：1.4.元件引脚的识别（如三极管的e、b、c，继电器的线圈与触点）。2.5.电路的连接是否正确，是否存在短路风险。3.6.指导学生如何利用万用表电阻档检测电路通断，利用电压档测量关键点电压。4.7.鼓励小组内分工合作，互相检查。（五）调试优化，解决故障1.【高频考点】电路搭建完成后，接通电源进行测试。1.2.常见故障1：灯一直不亮。指导学生用万用表测量继电器线圈两端电压、三极管各极电压，判断是三极管没导通，还是继电器不工作，还是触点或灯泡问题。2.3.常见故障2：灯一直亮。检查三极管是否击穿，或基极电压是否一直过高，导致继电器始终吸合。3.4.常见故障3：灵敏度不合适（如天还亮灯就亮了）。引导学生调节电位器R1，改变分压比，从而改变控制的光照阈值。5.学生小组内进行调试，记录调试过程（如何改变电阻，观察到的现象是什么）。教师鼓励学生互相交流调试经验。（六）展示交流，总结反思1.邀请已完成的小组展示自己的作品，演示光控效果（用手遮挡光敏电阻模拟天黑，灯亮；移开手模拟天亮，灯灭）。2.分享本组在设计和调试过程中遇到的问题及解决方法。3.教师对各组表现进行点评，肯定优点，指出共性问题。4.布置课后思考：如果想把“光控”改成“温控”，电路需要做哪些改动？如果想让灯在光强时亮，光弱时灭（与路灯相反），又该如何修改？第二课时：温控报警器及拓展（一）复习迁移，温故知新1.快速回顾上节课的光控电路原理，重点回顾三极管的开关作用和分压电路的阈值设定。2.【基础】引入热敏电阻。展示负温度系数热敏电阻（NTC），并通过简单实验（手握或加热）让学生观察其阻值随温度升高而减小的特性。3.引出本课时新任务：利用NTC热敏电阻制作一个温度报警器。要求：当温度超过设定值时，蜂鸣器发出警报，同时红色LED灯亮起。（二）类比分析，自主设计1.引导学生将光控电路与温控电路进行类比：1.2.光敏电阻(光→阻)<—>热敏电阻(温→阻)2.3.光照变化<—>温度变化3.4.灯亮/灭<—>报警器响/静音5.【重要】各小组根据类比，尝试修改上节课的电路图，独立设计出温控报警器的电路方案。1.6.关键点：将光敏电阻替换为热敏电阻。为了实现“超过温度”报警，需要重新考虑分压连接方式。2.7.讨论：若使用NTC（温度高阻值小），如何连接才能让温度升高时分压点电压升高，从而触发三极管导通？3.8.结论：应将热敏电阻放在分压电路的下端（接地端），上端接一个固定电阻R2。这样，温度升高，热敏电阻阻值减小，分压点（中间点）电压升高。9.小组内完成电路图的设计，并向教师展示设计思路。（三）动手实践，制作报警器1.学生根据自行设计的电路图，在面包板上搭建温控报警电路。将小电珠负载更换为蜂鸣器与红色LED的并联组合（注意蜂鸣器的极性，可串联限流电阻）。2.【核心素养】教师巡视指导，重点关注：1.3.学生能否正确地将自己的设计转化为实际连接。2.4.是否考虑了限流电阻，防止LED或蜂鸣器过流损坏。3.5.对于新元件的使用（如蜂鸣器）给予必要指导。6.学生搭建完成后，利用热水杯作为热源，对热敏电阻进行加热，测试报警效果。调节用于阈值设定的电位器，使报警温度在一个合适的范围（如手触感温热时报警）。（四）探究拓展，创新挑战1.【非常重要】【热点】基础任务完成后，教师提出更具挑战性和开放性的拓展任务，供学有余力的小组选择探究：1.2.任务一（上下限控制）：设计一个电路，既能实现“超温报警”，又能实现“低温报警”（例如，温度过高亮红灯，温度过低亮蓝灯）。1.2.3.引导思路：使用两个比较器（或两个三极管电路），分别设置高、低两个阈值。将传感器信号同时送给两个比较器。或者，使用数字电路芯片，但本节课仍建议用模拟电路思路，如利用两个三极管的不同导通条件。这属于较高要求，可鼓励学生查阅资料，大胆尝试。3.4.任务二（延时与互锁）：模拟楼道声光控延时灯。在光控基础上，增加声音传感器（如驻极体话筒）和延时电路，实现“白天灯不亮，晚上有声音时灯亮，并延时一段时间后自动熄灭”。1.4.5.引导思路：可以利用电容的充放电特性实现延时。声音信号经放大后，触发一个单稳态电路。可提供更复杂的电路图作为参考，鼓励学生按图搭建并理解其功能。5.6.任务三（传感器融合）：设计一个“智能温控风扇”。当温度高于设定值时，电机（风扇）自动转动；温度降低到设定值以下时，风扇停止。1.6.7.引导思路：将负载从蜂鸣器换成小电机即可。但电机启动电流较大，可能需要考虑用继电器触点控制电机，或用更大功率的三极管直接驱动。7.8.任务四（阈值量化显示）：利用多个比较器（如LM324运放）和多个LED，制作一个简单的温度指示器。温度越高，点亮的LED数量越多。这要求学生初步了解集成运放的使用。9.各小组根据自身兴趣和能力，选择一项或多项任务进行尝试。教师提供必要的技术支持、元件资料和指导。（五）成果展示，多元评价1.【热点】组织课堂成果展示会。各小组轮流上台，演示本组的创新作品，并讲解设计思路、电路原理、遇到的困难及解决方案。2.评价方式多元化：1.3.自我评价：学生回顾本单元学习过程，填写实验报告中的反思部分，评价自己的收获与不足。2.4.小组互评：其他小组对该作品的创意性、功能实现度、讲解清晰度等进行评价。3.5.教师评价：从物理原理的掌握、工程实践能力、创新思维、团队合作、科学态度等多个维度进行综合评价。特别关注学生在解决实际问题过程中表现出的探究精神和韧性。（六）课堂总结，视野拓展1.教师带领学生回顾两节课的核心内容：从光控到温控，核心都是利用传感器将非电学量转换为电学量，通过三极管（或继电器）实现对电路的通断控制，从而驱动执行器工作。总结自动控制系统的一般模型：传感器（采集信息）→控制电路（处理信息）→执行器（执行动作）。2.播放视频或图片，展示传感器和自动控制在更广阔领域的应用：如工业生产中的自动化流水线、现代农业中的智能大棚、航空航天器中的环境控制系统、现代医疗中的生命体征监护设备等。3.【重要】升华主题：今天我们亲手制作的只是一个非常简单的模型，但它蕴含的“感知决策执行”思想，是现代智能科技的基础。希望同学们能保持这份好奇心和探究热情，未来用所学的知识去创造更智能、更美好的世界。七、板书设计实验：利用传感器制作简单的自动控制装置一、自动控制系统模型感知（传感器）→决策（控制电路）→执行（执行器）二、核心元件特性1.光敏电阻：光照↑电阻↓光照↓电阻↑2.热敏电阻（NTC）：温度↑电阻↓温度↓电阻↑3.三极管（NPN）：开关特性1.4.Ube≥0.7V→饱和导通（ce间相当于开关闭合）2.5.Ube<0.7V→截止（ce间相当于开关断开）6.电磁继电器：用小电流控制大电流、低电压控制高电压的开关三、典型电路分析（光控灯）1.分压电路：设定阈值2.三极管开关电路：放大控制信号3.继电器驱动