5.3 利用传感器制作简单的自动控制装置 教学设计 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

教学设计 课程名称 利用传感器制作简单的自动控制装置 选用教材 高中物理人教版选修二 教学章节 第五章第三节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课是传感器单元实操综合实验课，整合前两节干簧管磁传感器、光敏电阻、三极管、继电器、发光二极管等元件知识，设置两个完整制作实验：实验一门窗防盗报警装置，以干簧管为磁传感器，搭配继电器、蜂鸣器、LED 指示灯搭建磁控报警电路，实现门窗闭合指示灯亮、开门蜂鸣报警；实验二光控开关（模拟路灯），利用光敏电阻分压、三极管电流放大、继电器通断控制路灯，调节可调电阻可改变触发亮灯的环境亮度。课程先介绍发光二极管、三极管两类核心电子元件的结构与开关放大作用，再分步拆解两套装置实物结构、电路原理图，明确每类元件承担的信号转换、开关、执行功能，完整呈现 “非电学量→传感器→电信号→三极管放大→继电器驱动执行设备” 自动化控制全链路，侧重动手组装、电路调试，实现理论传感原理落地实物制作，贴近家用安防、道路照明真实自动控制设备。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握干簧管、光敏电阻两类电阻式传感器转换原理，知道传感器可将磁、光转化为电阻变化；初步认识串并联分压电路、欧姆定律，但不了解三极管电流放大、电子开关功能，不清楚继电器作为大功率执行开关的工作逻辑；能看懂简单传感元件实物，但是不会综合分析包含三极管、继电器的复合控制电路，缺少多元件联动电路拆解、组装调试经验。 2. 能力基础 学生具备单一传感器电路测量能力，但多元件综合电路读图、分步组装、故障排查的实操探究能力薄弱；对照实物装置图、电路原理图对应元件功能的图文转化能力不足；自主调节可调电阻、排查报警 / 光控电路不工作故障的实验分析能力零散。 3. 思维基础 学生思维局限于单一传感器信号转换，缺少 “传感采集 — 信号放大 — 开关驱动 — 设备执行” 多级自动控制链式建模思维；容易混淆三极管、继电器二者的开关分工，分不清 LED 限流电阻、光敏分压可调电阻的不同作用，难以完整梳理两套自动装置的信号传递全流程。 三、教学目标 1. 物理观念 理解发光二极管单向导电、三极管电流放大兼电子开关的特性；掌握干簧管磁控报警、光敏电阻光控路灯两套装置完整控制逻辑；明晰传感器、三极管、继电器在自动控制系统里各自分工，建立多级信号转换驱动的自动化统一物理观念。 2. 科学思维 依托门窗防盗装置实物示意图形成磁控安防设备建模思维；借助防盗报警完整电路图形成多级电路信号传递链式分析思维；利用三极管实物与符号图形成电流放大开关元件归纳思维；结合光控路灯分压电路图形成光信号调压放大建模思维，培养实物与电路图互译、多级控制电路拆解、元件功能分类、故障成因推理的综合科学思维。 3. 科学探究 对照门窗防盗装置图分析干簧管磁控逻辑，分组分步完成报警电路组装调试；读懂三极管符号与实物，理解放大、开关双重作用；拆解光控路灯分压电路，调节可调电阻改变触发亮度阈值，排查电路不通、报警 / 灯光不动作故障，完整经历 “安防装置情境拆解→磁控报警电路组装调试→三极管元件原理学习→光控路灯电路搭建校准” 探究流程。 4. 科学态度与责任 通过家用门窗防盗、市政光控路灯两类民生自动设备制作实操，养成依托家用安防实物拆解多级控制电路、按步骤规范组装电子元件、自主调节参数、排查电路故障的求真实操科研品格；传感器自动控制电路广泛用于智能家居、市政照明、工业安防，我国自主生产干簧管、光敏、三极管、继电器全套电子元件支撑国产智能家居装备普及，认识传感自动控制技术支撑民生智能设备、城市基础设施建设，树立学好传感实操电路知识助力国产智能家居、市政自动装备自主研发的责任意识。 四、教学重难点 重点 发光二极管、三极管的结构、导电与放大开关特性 门窗防盗报警装置电路：干簧管磁传感 + 继电器驱动蜂鸣器 光控路灯电路：光敏电阻分压、三极管放大、继电器控制路灯 自动控制通用链条：被测非电学量→传感器→三极管放大→继电器执行 难点 区分三极管信号放大、继电器大功率负载驱动两层开关功能 读懂两套复合控制电路图，对应实物元件分步组装 自主调节可调电阻、排查电路无响应故障 五、教学方法 实物情境导入法：门窗防盗报警装置实物示意图抛出家用安防探究制作问题； 电路图解分析法：防盗报警完整电路图拆解磁控多级控制流程； 元件实物演示法：三极管、发光二极管实物搭配符号图讲解特性； 分组实操探究法：学生两人一组分步组装、调试两套自动装置； 故障讨论法：小组合作分析电路不报警、路灯不亮的故障原因； 生活拓展法：智能家居、市政路灯拓展自动控制工程应用。 六、教学资源 人教版选择性必修第二册课本；门窗防盗报警装置实物示意图、防盗报警完整电路图、三极管实物与符号图、光控路灯分压电路图；干簧管、永磁体、继电器、蜂鸣器、LED、光敏电阻、三极管、可调电阻、电源、导线、面包板；多媒体电路动画、黑板、直尺、装置组装分步思考题。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 门窗防盗报警实物情境导入，抛出自动装置制作探究问题 · 展示门窗防盗报警装置实物示意图 · 提出教材开篇问题：门窗闭合指示灯亮、开门蜂鸣报警，这套装置内部由哪些传感、电子元件组成，电路如何实现自动控制？给学生两分钟同桌交流，结合干簧管、继电器旧知自主猜想电路结构。 · 告知学生本节课完成两项实操制作：门窗磁控防盗报警器、模拟光控路灯；先学习 LED、三极管两种关键电子元件，再分步组装两套完整电路，动手调试实现自动控制效果。 · 递进抛出导学思考题 1：干簧管感知门窗位置（磁信号）后，为什么不能直接带动蜂鸣器，需要继电器和三极管？预留多级控制电路讲解环节验证猜想。 观看门窗防盗报警装置实物示意图，结合干簧管磁传感、继电器知识交流电路元件猜想；回顾干簧管、光敏电阻、串联分压相关内容；抄写课题《利用传感器制作简单的自动控制装置》，带着 “微弱传感信号如何驱动蜂鸣器、路灯这类负载” 的疑问进入新课学习。 门窗防盗报警电路拆解、三极管核心元件学习 · 展示门窗防盗报警完整电路图 · 分步拆解电路分工：干簧管 SA 为磁传感器，感知永磁体 M 磁场有无；虚线框继电器作为执行开关；LED 为工作指示灯，R 限流保护 LED；蜂鸣器 H 为报警负载。演示工作逻辑：门窗闭合，磁体靠近干簧管导通，继电器线圈通电，常闭触点断开，蜂鸣器不响、LED 常亮；门窗打开，干簧管断开，继电器失电，触点闭合，蜂鸣器发声报警。 · 展示发光二极管实物图 · 讲解单向导电、通电发光，串联限流电阻防止烧毁。 · 展示三极管实物与电路符号图 · 讲解 NPN、PNP 两类三极管，具备两大核心作用：基极微小电流放大集电极大电流，同时充当电子开关，是微弱传感信号放大的核心元件。 · 出示配套思考讨论题：防盗装置中继电器起到什么作用，能不能直接去掉继电器用干簧管控制蜂鸣器？带领学生结合负载电流大小完整作答。 · 组织三分钟四人小组讨论：整套防盗装置信号传递顺序是什么，每一段分别完成什么转换功能？每组推选代表梳理完整控制链条。 观看防盗报警完整电路图，在草稿纸上标注干簧管、继电器、LED、蜂鸣器各自功能；观看发光二极管实物图，记录单向导电、限流电阻保护要点；观看三极管实物符号图，区分 b 基极、c 集电极、e 发射极，记住放大、开关双重特性；独立完成继电器功能思考题；小组讨论磁控报警完整信号流程，听完讲评建立磁控多级控制电路完整定性认知。 光控路灯电路实操、课堂总结、分层课后任务 · 展示光控开关分压电路图 · 分步拆解光控逻辑：光敏电阻 RG 感知光照，与可调电阻 R1 串联分压，光强变化转化为基极电压；三极管 VT 放大电压信号充当电子开关；导通后驱动继电器控制模拟路灯 L；调节 R1 阻值，可改变触发亮灯的环境亮度。组织学生两人一组领取元件，按电路图分步搭建光控电路，遮挡、照射光敏电阻观察路灯通断，调节可调电阻对比亮灯阈值变化，排查灯光无响应故障。 · 整合四张配图梳理课堂主线：门窗防盗报警装置实物示意图抛出家用安防制作问题→防盗报警完整电路图拆解磁控多级自动控制流程→三极管实物符号图讲解信号放大核心元件→光控路灯分压电路图搭建光照自动控制装置，完整覆盖情境激趣、磁控电路拆解、电子元件学习、光控实操搭建四层核心内容。 · 按照课本行文梳理全课脉络：门窗防盗实物导入设问→拆解磁控报警电路，认识干簧管 + 继电器联动控制→学习 LED、三极管两类关键电子元件的导电、放大开关特性→搭建光控分压路灯电路，实操调试光照自动控制，黑板同步简易思维导图，标记两类自动装置控制链条、三极管核心作用、继电器功能三大核心知识点。 · 分层布置贴合课本的课后任务：基础任务画出防盗报警、光控路灯简化电路，标注每类元件功能，完成 2 道多级控制流程判断题；拓展任务在家利用干簧管、磁铁、LED 简易制作迷你门窗提示装置，下节课展示分享。 观看光控路灯分压电路图，梳理 “光照→光敏电阻阻值→分压电压→三极管开关→继电器路灯” 完整链条；两人一组领取元件规范搭建电路，动手遮挡、光照光敏电阻观察灯光变化，调节可调电阻记录亮度触发差异；小组合作排查电路不通、灯光不动作故障；整合本节课四张图文对应知识点，容易混淆三极管与继电器开关分工、两套装置信号传递顺序、限流 / 分压电阻作用三类高频易错点；记录分层课后作业要求，规划习题书写、迷你安防装置拓展制作任务。 课堂收尾 · 回扣开篇门窗防盗报警装置实物示意图完整总结：本节课两套自动控制装置共用一套控制逻辑：非电学量经传感器转为电阻变化，分压得到微弱电压信号，依靠三极管放大、电子开关，再由继电器驱动蜂鸣器、路灯等负载；干簧管实现磁控防盗，光敏电阻实现光控路灯，三极管是微弱信号放大核心，继电器负责大功率设备通断；整套多级控制电路广泛用于智能家居、市政照明，完成传感器从单一元件到完整自动化系统的实操闭环。 回顾两套自动装置完整控制流程、三极管放大开关特性、继电器驱动功能全部知识点，整理电路图解、元件演示、分组实操搭建笔记，规划课后任务完成顺序。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托门窗防盗报警装置实物示意图、防盗报警完整电路图、三极管实物符号图、光控路灯分压电路图四组素材开展家用安防实物激趣、磁控多级电路拆解、三极管电子元件原理讲解、光控路灯分组实操教学，培养学生依托家用门窗安防实物提出多级自动控制电路探究问题、对照完整电路图分步拆解信号传递流程、区分三极管与继电器分层开关功能、动手搭建光控装置自主调节参数排查故障的求真实操科研品格；干簧管、光敏电阻、三极管、继电器是智能家居门窗安防、市政光控路灯、工业自动检测设备的基础电子元器件，我国实现全套基础传感与分立电子元件自主量产，支撑全屋智能、城市道路照明、工业自动化装备普及，让学生认识传感自动控制实操电路知识事关民生智能家居、城市基础设施、工业自动化产业发展，引导学生扎实掌握两类自动装置控制流程、三极管放大开关原理、电路组装调试方法，树立依托传感实操电路知识助力国产智能家居、市政自动控制装备自主研发的责任意识。 十、教学反思和修改 教学反思：本节课使用四张教材配图与分组实操完成门窗安防情境导入、磁控报警电路拆解、三极管元件讲解、光控路灯搭建全流程教学，但学生普遍存在三类典型实操误区：一是分不清三极管负责信号放大、继电器负责大功率负载驱动，误以为二者功能重复；二是组装电路时分不清 LED 正负极、三极管三个引脚，元件接反导致装置无响应；三是梳理控制链条时容易漏掉三极管放大环节，直接认为传感器可驱动负载。小组实操时部分学生不会调节可调电阻精准控制路灯亮灯亮度阈值，故障排查无从下手。 修改措施：课前印制两套装置电路流程、三极管引脚区分预习学案；播放门窗报警、光控路灯完整组装调试动态短视频；延长四人一组多级控制链条梳理、电路故障排查讨论时长，强化三极管与继电器分工、元件正负极区分、完整信号传递链条三类专项训练；增加电路元件功能、控制流程随堂判断题，课堂即时纠错。 学科网（北京）股份有限公司 $