物理选择性必修 第二册利用传感器制作简单的自动控制装置教学设计

这是一份物理选择性必修 第二册利用传感器制作简单的自动控制装置教学设计，共18页。教案主要包含了基本信息，设计思想，学习者特征，教学内容与任务，教学目标，教学策略设计，信息资源与教学环境设计，教学过程等内容，欢迎下载使用。

一、基本信息
教师姓名
廖荣鑫
课名
利用传感器制
作简单的自动
控制装置
学科
物理
章节
选择性必修
二第五章第
三节
教材版本
人教版
课时
第 1 课时
课型
实验课
年级
高二
二、设计思想
在充分理解新教材，把握教学重难点的基础上，为了激发学生创造的张力，我坚持“淡化教师分析，注重课堂生成”的教学设计思想。
1 围绕物理核心素养展开
新一轮课程改革中技术课程的基本目标是“提高学生的技术素养，促进学生全面而富有个性的发展”。无论用什么方式进行物理课程教学，都应以提高学生的物理核心素养为目标展开教学。
2 强调学生活动主体地位
加涅曾提出一个响亮的口号：“为学习设计!”体现的是一种“以学生为本"的精神。活动是学生学习的主体，教师起到辅助、指导、管理、合作、鼓励的作用。学生不积极主动的参与，就难以实现自主探究、合作、交流，也就难以实现能力的提升，自我的发展。
3 基于“做中学、学中做”理念
面向真实情境，在解决问题中学习，实现思考与创造同构 ，引导学生经历合作探究、自主探索,在"做"中提高学生的物理核心素养和创新能力,提高教学效果。
4 利用“物理实体+数字孪生”双轨教学 ，在智慧课堂环境下实现
学习过程全留痕（操作视频/代码版本/实验数据）教学决策数据化（平台预警高频错误点）成果评价多维化（技术实现+创新性+社会价值）契合新课标“重视数字化实验”要求 ，为劳动教育注入科技内涵。
三、学习者特征（学情分析）
1. 认知发展水平与知识基础：
抽象思维发展：高二学生正处于皮亚杰认知发展阶段中的形式运算阶段 ，能够进行抽象逻辑思维、假设演绎推理和系统性思考。这使他们能够理解传感器的工作原理（将非电学量转化为电学量）、控制逻辑（如“如果...那么...”的条件判断）和反馈回路的概念。
物理知识基础： 学生已经学习了电路基础、电学元件、能量转化、波动与信号，可能对声波、光波有初步了解。但是对具体传感器（如光敏电阻、热敏电阻、声音传感器、红外传感器、超声波传感器等）的内部工作机制（如半导体特性）可能缺乏深入理解，需要侧重其宏观输入（环境刺激）-输出（电信号变化）特性。其中控制逻辑“开环控制”与“闭环控制”（反馈）的概念在通用技术课中学习过了
2. 技能与能力：
实验操作技能：具备使用万用表测量电压/电流/电阻、连接简单电路、识别基本元件的经验。但是对于包含传感器、控制元件（三极管、继电器）、执行器（电机、LED、蜂鸣器）的电路比之前接触的更复杂，接线错误率高。
逻辑思维与问题解决能力：能够理解因果关系，进行基本的逻辑推理。
调试能力： 当装置不工作时，系统地排查故障（电源？接线？元件损坏？逻辑错误？）是关键的也是困难的能力。
设计与创新能力（潜力）：对设计并实现一个“会自己动”的装置通常抱有浓厚兴趣，有潜力进行简单的创意设计（如设计不同的触发条件或执行动作）。需要提供脚手架和引导。
计算机使用能力：大部分学生熟悉计算机操作。 部分学生接触过图形化编程（如 Scratch, Mixly, Mind+）或基础的文本编程（如 Pythn） ，这为使用基于 Arduin 等开源硬件平台进行更灵活的控制提供了有利条件。会应用一些 AI 工具帮助解决问题。
3. 情感态度与动机：
兴趣与好奇心：“自动控制”本身具有极强的吸引力，与智能家居、机器人等现代科技紧密相关，容易激发学生的兴趣和好奇心。看到自己制作的装置对环境变化做出反应，成就感强。
态度：对物理和技术的态度差异较大。部分学生可能觉得电子制作有难度而畏难。需要强调过程学习、允许试错，培养耐心和毅力，小组合作制作是有效的方式，但也需关注分工和参与度。
四、教学内容与任务
本实验项目来自人教版物理学科选择性必修二第五章第三节《利用传感器制作简单的自动控制装置》和广东教育出版社信息技术学科必修二第三章第一节信息系统与外部世界的连接方式里面物联网知识模块，围绕“学校菜园”自动控制装置进行设计与搭建。该项目基于合肥一六八中学校园劳动实践基地“芷澜园”的背景，考虑到假期不能实时打理菜园的现实困难，决定采用物理中所学的传感器知识赋能学校菜园。为便于学习需要先设计搭建校园菜园模型，并从“自动浇灌”、“智能光照”、“自动通风”三个子装置进行数据的采集，通过各类传感器收集菜园环境数据，通过传输协议将数据发送反馈至主控板。设计算法根据收集到的数据控制相应执行器来调控菜园环境，达到智慧控制的效果。
技术方法的创新：本次实验教学通过各类传感器的数据与主控板实时交互，以传感器技术为抓手，使传感器的技术特征实体化，有效地理解传感器技术特征。相对于其他教师的讲授法，看书理解的传感器技术更容易促进学生科学思维和科学探究的核心素养的达成。
器材的创新：本次实验课是高中物理课程标准要求的学生必做实验，但传统器材单一无法处理真实情境问题等原因该实验开展较少。我采用的是掌控板结合 Mind+程序控制设备操作，有效地结合跨学科教学，通过各类传感器使得学生很清晰看到控制装置的状态，对学生核心素养的落地也起到促进作用。实验现象明显。
五、教学目标
（ 1 ）物理观念：联系生活实际，利用传感器原理设计并制作简单的自动控制装置，应用物理观念解决实际问题。
（ 2）科学思维：在制作简单的自动控制装置的过程中形成科学思维，结合现代信息技术进行程序设计，在成果交流中进行质疑、创新。
（ 3 ）科学探究：围绕给出的任务设计、实验方案，利用身边的实验器材进行实验验证，通过小组交流与合作，提出建设性意见，发展学习能力、思维能力、实践能力和创新能力，以及运用科学语言与他人交流的能力。
（ 4 ）科学态度与责任：感受传感器在生活、生产、科技领域中的作用，激发学习兴趣，开阔知识视野，体会科学技术是社会与经济发展的重要推动力量，通过自控电路的设计，培养节约能源的责任感、实事求是的科学态度和团队合作精神，体验科技创新的乐趣。
（ 5 ）数字化学习与创新：通过结合数字化资源学习各类传感器的作用和特点，能够根据学习任务的需要和可用的实验设备。
（6）计算思维：通过对比互联网 "HTTP" HTTP 通信协议和物联网 MQTT 通信协议，从计算机架构师角度分析 MQTT 协议架构的特点和优势，将物联网参与者抽象分成“发布者”、“订阅者”，进一步分析出物联网系统的特点。
六、教学策略设计
本节课的教学策略设计紧密围绕学习者的认知特点、兴趣点和潜在困难 ，以项目式学习为核心，通过生活化情境导入、可视化概念建构、模块化实践支持、结构化调试指导、引导性反思升华等策略 ，力求在有限时间内，让学生在动手制作“神奇”自动装置的乐趣中，有效理解传感器与控制系统的核心概念，掌握基本的工程设计、问题解决和调试方法，培养物理核心素养和工程思维。教师的关键角色是兴趣激发者、概念引导者、脚手架搭建者和调试教练。
七、信息资源与教学环境设计
信息资源设计： 1、高质量教学 PPT ：包括核心框架图、传感器原理动画/图解（重点突出宏观输入-输出关系）、关键元件简化模型（如继电器：用“电磁开关”结构图，清晰标明控制线圈和触点）2、精选课前微课视频。3、交互式仿真软件。4、AR 在线菜园影像。5、豆包、deep seek、文心一言等 AI 工具、6、传感器百科资料网址（简要介绍更多传感器类型及其应用场景，激发兴趣。） 7、开源硬件平台入门指南 (行空板) 以及在线社区/论坛链接。8、蔬菜百科资料网址。
教学环境设计：分组实验台 、基础电子套件、传感器、行空板、笔记本电脑/平板、稳定 WiFi（保障学生访问在线资源）
八、教学过程
教学环节
起止时间（“-”） （按照完
整视频的
时间点）
环节目标
教师活动
学生活动
媒体作用及分析
课前导学
0
提前预习必备知识
提供脚手架
自主预习
微课导学、在线网络学习
情境导入
0:00-4:10
建立现实问题与物理知识的联系
1、提出核心问题：如何用传感器实现无人值守菜园管理？
1、通过 AR增强现实技术在屏幕叠加 菜 园 3D模型， 观察情况。
2、观看现场学生拍摄的情景短剧。
3、分析豆包的发言总结影 响 因 素
1、打破时空限制 ：未到菜
园现场即可观察细节
2、视频导入问题
3、 AI 数 据驱动教学：
根据豆包的
解答聚焦核心问题
4、智慧课堂随机点名，
提升学生参与度。
知识建构
4 ：11-6 ：40
掌握传感器原理与控制逻辑
1、讲解传感器的基本原理， 与使用方法
1、 听 讲 学习、对比不同传感器特性
1、PPT 展示核 心 框 架图、传感器原理动画/图解
分组设计
6 ： 41-15 ： 30
完成系统原型设计
1、学生设计时走动指导
2、平板拍照讲解评价各
1、小组分工设计草图
1、利用腾讯云文档实时记
录设计迭代
过程协同思
组的设计作品
2、在线查询各类所需知识（植物志网站）
3、利用腾讯云文档实时记录设计迭代过程协同思维显性化
维显性化，
小组贡献度
通过编辑记录量化
2、在线查询各类所需知
识（植物志
网站） 利用
互联网技术
补充不了解的 农 业 知识。
模型搭建、测试优化
15 ： 31-
27:00
实现物理系统集成、培养工程思维
1、提供各种器材并介绍使用方法
2、巡回指导关键技术点：传感器校准
（土壤模块插 深 调试） 。执行
器安全控制
（继电器隔离高压） 。数据可视化
（串口绘图监测）
3、引导分析误差来源：
1、各小组根据自己所需选择器材
2、搭建菜园物 理 模 型（ 木 板 +真
实土壤） 部
署传感器网络 烧 录 程序并调试响应速度
3、记录系统响应参数
4、 AI 辅 助设计：输入
环境参数，调 用
1、 可 视 化 工
具：Mind+平台生成控制
逻辑流程图
2、微控制器 ：
行空板实现
低成本控制核心
3、智慧课堂录制过程视频，过程性评价支撑 ：视频回
放分析操作规范性。
4、远程故障诊断 ：教师通过 MQTT 平台实时数据
传感器位置/采样频率/机械延迟
ChatGPT 生
成基础控制代码框架
5、 AI 辅 助设计调试流
程以及实验
报告，利用deep seek 以及文心一言
生成实验报告。
6、物联网监控系统， 利
用 OBLOQ模块上传传
感器数据至MQTT 平台
流发现接线错误
5、 AI 辅助设计编程，
帮助不熟悉
编程的学生解决问题。
6、 AI 辅助设计调试流
程以及实验
报告， 学生
提出要求缩
短实验调试的时间。
7、激光雕刻制作温室模
型（学生课下 提 前 设计）
成果展评
27 ：01-40 ： 30
发展跨学科表达能力
1、 组 织 "智慧农业路演" ：要求用物理原理解释控制效果
2、组织各组同学利用智
慧课堂平板
1、演示自动控制系统
2、网络平台提交技术文
档（含电路图 /代 码 /测试数据）
3、探讨物联
为 "智 慧 农
业 路 演 "打分
网拓展可能