5.4 自制简单的控制电路 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦自动控制电路分层结构与无人驾驶系统架构，通过面包板实物图导入，拆解温度报警器方框图，再拓展至无人驾驶结构示意图，构建从简易电路到智能系统的知识支架。 采用方框图分层拆解与系统类比教学法，结合面包板实操与国产无人驾驶科技案例，培养科学思维中的模型建构和科学态度与责任中的科技强国意识，帮助学生建立系统认知，为教师提供实操与前沿融合的教学方案。

教学设计 课程名称 自制简单的控制电路 选用教材 高中物理教科版选修二 教学章节 第五章第四节 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 本节课是第五章传感器整章实操制作与前沿拓展收尾课，分为两大板块：简易控制电路动手制作、无人驾驶智能系统拓展。第一板块依托面包板实物图，认识面包板内部铜片连通规则，掌握无焊接电路调试器材使用方法；以温度报警器方框图为核心，拆解 “热敏电阻传感元件 — 三极管放大电路 — 蜂鸣器执行器件 — 电源” 四层完整自动控制链路，配套光控 LED 灯两套可选自制实验，落实传感器 + 放大电路实现自动报警；第二板块借助无人驾驶汽车结构示意图与实车路测照片，梳理智能车 “感知层（各类传感器）— 运算层（CPU）— 执行层（电控机构）” 三层系统，介绍我国无人驾驶自主研发历程，将课堂简易控制电路拓展到工业级复杂智能控制系统。整体搭建 “面包板实物图学习实操搭建基础器材→温度报警器方框图拆解简易传感控制完整电路→无人驾驶结构示意图解析智能汽车三层系统架构→无人驾驶实车照片拓展国产智能交通科技发展” 完整探究链条，实现理论、动手实验、前沿工程应用三者融合，完成全章知识闭环。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经完整学习各类传感器、三极管放大基础电路、非电学量转电信号核心逻辑，能单独分析热敏、光电传感器原理；见过面包板、报警器、自动驾驶汽车，但不清楚面包板内部导电结构，无法自主拆解一套完整自动控制电路的分层功能；不理解三极管放大是连接弱信号传感器与蜂鸣器、LED 等大功率执行器件的中间核心；对无人驾驶分层系统、国内自动驾驶研发成就缺乏系统认知。 2. 能力基础 学生具备单一元件原理分析能力，但自主拆解整套控制电路、划分传感 / 放大 / 执行模块的系统建模能力薄弱；依据方框图规划面包板接线、分步调试自制电路的实操规划能力不足；结合简易温控报警器类比推导无人驾驶三层智能系统的迁移推理能力偏弱。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：传感器输出电信号可以直接驱动蜂鸣器，不需要三极管放大；面包板所有插孔全部互相连通；无人驾驶只依靠单一摄像头感知环境，无激光雷达、毫米波雷达多类传感；简易控制电路与自动驾驶系统工作逻辑完全无关；电源只给执行器件供电，不供给传感器、放大电路。 三、教学目标 1. 物理观念 建立分层完整自动控制电路观念：面包板依靠内部弹性铜片连通插孔，可无焊接临时组装调试电路；简易温度报警器分为四层：热敏电阻采集温度信号、三极管放大微弱电信号、蜂鸣器作为报警执行元件、干电池为全电路供电；所有自动控制电路统一架构：传感器（采集非电学量）→放大电路→执行器件；无人驾驶汽车分为感知（激光雷达、摄像头、车载传感器）、运算 CPU、电控执行三层系统，本质是多套复杂传感控制电路协同工作。 2. 科学思维 依托面包板实物图建立实验器材结构与电路连通规则的具象建模思维；借助温度报警器方框图建立 “传感 - 放大 - 执行” 分层电路系统归纳思维；利用无人驾驶汽车结构示意图建立弱信号采集、运算、驱动执行多级系统演绎思维；依靠无人驾驶实车路测照片建立课堂简易电路向大型工业智能系统迁移类比思维，四层思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察面包板外观与背面连线图，分清电源轨、信号插孔连通规律，掌握电路调试基础工具使用；看懂温度报警器方框图，依次梳理热敏电阻、三极管、蜂鸣器、电源各自功能，理清信号传递完整流程；解读无人驾驶汽车结构示意图，区分感知、运算、执行三层子系统，识别各类车载传感元件；结合实车照片理解国内自动驾驶工程落地；完整经历 “面包板实物图认识实操器材→温度报警器方框图拆解简易自动控制电路→无人驾驶结构示意图分析大型智能系统三层架构→实车照片拓展国产智能交通应用” 标准化实操探究流程。 4. 科学态度与责任 面包板、自制温控报警器是电子入门实验器材，培养学生动手实操、分步调试、严谨排查故障的实验素养；我国从上世纪 80 年代自主研发无人驾驶汽车，突破国外技术壁垒，激励学生学好电路、传感物理知识投身国产智能汽车、电子控制产业；自动控制电路广泛应用于安防、汽车、工业设备，传感技术是智能制造核心底层，树立科技强国意识；一套控制电路、智能汽车需要传感、放大、执行多模块配合，培养分工协作、系统分析工程问题的全局思维；动手制作时规范使用电源、电子元件，树立安全用电、规范开展电学制作的习惯。 四、教学重难点 重点 自动控制电路三层核心结构：传感器、放大电路、执行器件；面包板插孔连通规则 无人驾驶汽车感知、运算、执行三层系统架构 难点 理解三极管放大电路的中间过渡作用：放大传感器微弱信号驱动执行元件 类比简易温度报警器，迁移理解无人驾驶多传感协同复杂控制系统 五、教学方法 器材结构图解法：面包板正反面实物图，讲解内部铜片连通规律与电路调试用途； 方框图分层拆解法：温度报警器方框图，逐层划分传感、放大、执行、电源模块； 系统类比图解法：无人驾驶结构示意图，类比简易报警器推导三层智能系统； 工程拓展实物图法：无人驾驶实车路测照片，结合国内研发历程落实科技思政； 实操问题辨析抢答法：出示电路搭建、自动控制相关易错判断题，纠正认知偏差。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第二册课本；面包板外观与背面连线图、温度报警器电路方框图、无人驾驶汽车结构示意图、无人驾驶实车路测照片；分组实操器材：面包板、热敏电阻、三极管、蜂鸣器、干电池、导线；国内自动驾驶、电子创新制作科普图文素材。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 面包板实物图引入，认识自制电路基础调试器材（9 分钟） · 投影面包板外观与背面连线图 · 展示面包板正面插孔、背面连通铜片结构，讲解面包板俗称实验板，用于焊接前临时组装、调试电路，无需焊接即可快速改动线路。 · 分层讲解连通规则：上下两侧长排插孔为电源轨，整行互相连通，分别接电源正负极；中间分区小孔横向连通、纵向绝缘，元件引脚插入同一横向插孔即可导通；依靠内部弹性铜片夹持导线、元件引脚实现导电。同步点明本节课温度报警器、光控 LED 灯两套自制实验，全部依靠面包板完成前期调试。 · 抛出同桌交流任务两分钟：如果要把热敏电阻一端和三极管基极连通，需要如何利用面包板插孔接线，教师巡回倾听各组发言。 · 出示全班辨析思考题：面包板所有插孔全部互相连通、传感器信号可直接驱动蜂鸣器无需放大，判断对错，点名学生作答并完整说明依据。 · 过渡铺垫：掌握面包板接线规则后，我们拆解一套完整的温度报警控制电路，下一张温度报警器方框图分层分析各模块功能。 · 认真观察面包板正反面实物图，分清电源轨、信号插孔连通规律，记住横向连通、纵向绝缘核心特点。 · 完整记录面包板作用：无焊接临时调试电路；长横排为电源，中间横孔导通、竖孔隔离。 · 和身旁同桌相互交流接线思辨问题，分工说出两个元件引脚插入同一横向插孔即可实现电路连通。 · 独立判断辨析题对错，完整写出纠正对应的电路信号驱动逻辑，规避两类基础认知误区。 · 建立实操电路搭建的基础器材认知，为动手制作铺垫。 环节二 温度报警器方框图探究，拆解完整传感自动控制电路（11 分钟） · 投影温度报警器电路方框图 · 依次标注热敏电阻、三极管放大电路、蜂鸣器、干电池电源四大模块，梳理信号传递完整路径。 · 分层分步讲解每层模块功能：①热敏电阻：温度升高阻值下降，将温度非电学量转化为微弱变化电流；②三极管放大电路：接收微弱传感电流，放大输出足够大电流；③蜂鸣器：有源发声器件，放大后电流通过即可发出报警声；④干电池：为传感器、放大电路、报警器全模块供电。重点强调三极管的核心过渡作用：传感器输出电流极小，无法直接驱动蜂鸣器，必须依靠三极管放大。同步介绍课堂两套可选自制实验：温度报警器、光控 LED 灯，二者框架完全一致，仅更换前端传感元件。 · 布置四人小组简短讨论任务三分钟：整套温度报警器缺少三极管会出现什么现象，原因是什么。 · 汇总小组发言，统一得出结论：热敏电阻输出电流太微弱，不足以驱动蜂鸣器发声，无三极管则报警器无法正常报警。 · 抛出同桌交流任务两分钟：概括所有简易自动控制电路通用三层结构，分别是什么。 · 认真观察温度报警器方框图，顺着信号流向理清传感、放大、执行、电源四层模块各自功能。 · 完整抄写通用控制电路结构：传感器（采集信号）→三极管放大电路→执行器件（蜂鸣器 / LED）+ 电源。 · 四人小组围绕三极管作用思辨问题充分交流，小组代表举手完整分享讨论结论。 · 和身旁同桌相互交流通用框架思辨问题，分工说出传感采集、放大过渡、执行输出三层核心结构。 · 掌握简易自动控制电路统一底层逻辑，建立 “非电学量 — 电信号 — 放大 — 动作” 完整模型。 环节三 无人驾驶汽车结构示意图拓展，类比推导大型智能系统三层架构（11 分钟） 投影无人驾驶汽车结构示意图 标注激光测距仪、车载雷达、视频摄像头、微型传感器、CPU 资料库、电控执行机构，划分三大子系统：眼睛（环境感知）、大脑（CPU 运算）、手脚（电控执行）。 分层类比简易温控报警器讲解三层系统：①感知层（眼睛）：激光雷达、摄像头、各类车载传感器，对应温度报警器的热敏电阻，采集距离、速度、光线等非电学量；②运算层（大脑 CPU）：接收多路传感信号，计算最优行驶指令，对应三极管放大与逻辑处理；③执行层（手脚）：电控刹车、油门、转向机构，对应蜂鸣器执行器件，接收指令完成机械动作。统一点明无人驾驶是上百套传感控制电路协同工作的复杂智能系统，底层原理和课堂自制报警器完全一致。 抛出同桌交流任务两分钟：无人驾驶的 “眼睛” 对应温度报警器哪个元件，二者功能有什么相同点。 出示四道分层辨析判断题：无人驾驶仅依靠摄像头感知、面包板纵向插孔互相连通、传感器可直接驱动执行器件、电源只给报警器供电，全班集体举手判断对错，逐题纠正误区。 过渡铺垫：我国自主研发无人驾驶汽车实现高速路实测落地，下一张实车路测照片了解国内智能交通科技发展历程。 认真观察无人驾驶结构示意图，分清感知、运算、执行三层子系统，类比温控报警器找到对应模块。 完整抄写无人驾驶三层架构：感知层（多类传感器）→CPU 运算层→电控执行层。 和身旁同桌相互交流类比思辨问题，分工说出感知层各类传感元件对应热敏电阻，都是采集外界非电学信号。 集体判断四道辨析题对错，针对每一道错题结合面包板、温控电路知识完整说明纠正依据，规避四类顽固认知误区。 完成简易小电路到大型工业智能系统的知识迁移，打通理论与前沿工程的关联。 环节四 无人驾驶实车路测照片梳理，拓展国产智能汽车科技成就（10 分钟） 投影无人驾驶实车路测照片 梳理国内无人驾驶研发时间线：80 年代启动研究，1992 年国防科大研制国内首台无人驾驶汽车，2011 年完成长沙 — 武汉高速全程自动驾驶，2015 年北京复杂道路实测，最高时速 100km，实现跟车、变道、超车全套动作。 分层讲解核心价值：整套自动驾驶系统依靠自主设计的传感采集、信号放大、运算控制电路，摆脱国外芯片与电控方案依赖；底层全部依托本章所学传感器、自动控制电路物理原理，基础物理电学是国产智能交通产业的根基。同步引导学生认识学好物理对高端智能制造、自动驾驶领域的重要意义。 布置四人小组对比讨论任务三分钟：对比课堂自制温度报警器、无人驾驶汽车控制系统，二者复杂程度、传感器数量、功能有什么差异，底层统一原理是什么。 汇总小组发言，统一整理对比要点：温控报警器单一传感、单一执行；无人驾驶上百种传感、多路电控执行；底层统一原理都是传感器采集非电学量，转化电信号经处理后驱动执行机构动作。 完整梳理本节课逻辑链：面包板实物图认识电路调试基础器材→温度报警器方框图拆解简易传感控制完整四层电路→无人驾驶结构示意图类比推导智能汽车感知、运算、执行三层系统→无人驾驶实车照片拓展国内自主智能交通科技发展。 布置课后分层作业，拓展实践思考任务：利用面包板、光敏电阻规划光控 LED 灯控制电路，画出简易方框图标注各模块功能。 · 认真观察无人驾驶实车路测照片，结合文字时间线梳理我国无人驾驶自主研发突破历程，树立科技自信。 · 完整记录简易电路与无人驾驶统一底层原理：传感器采集外界信号，电信号处理后驱动执行机构。 · 四人小组围绕两套控制系统对比思辨问题交流，分条整理复杂度差异、底层共同规律，小组代表举手分享。 · 独立完成类比简答题，完整口述无人驾驶感知层对应温控报警器热敏电阻的功能逻辑。 · 和身旁同桌互相口述面包板规则、温控报警器四层电路、无人驾驶三层架构全部核心知识点，整合第五章全章传感器、控制电路内容形成闭环知识体系。 环节五 习题巩固 + 课堂总结（3 分钟） · 出示四道分层思考题：面包板连通规则简答、温度报警器三极管作用填空、无人驾驶三层系统区分、简易控制电路通用结构问答。 · 带领学生复盘四张配图对应的核心内容：面包板正反面实物图掌握插孔连通规律与调试用途；温度报警器方框图熟记传感 — 放大 — 执行 — 电源四层完整控制链路；无人驾驶结构示意图分清感知、运算、执行三大子系统；无人驾驶实车路测照片了解我国自动驾驶自主研发成就。 · 集中纠正四类典型认知误区：面包板全部插孔导通、传感信号直接驱动执行器件、无人驾驶只靠摄像头、电源仅供给执行元件。 · 布置课后分层作业：基础题抄写面包板连通规则、温控报警器四层模块、无人驾驶三层架构；提升题完成简易报警器与无人驾驶系统对比简答题；实践作业绘制光控 LED 灯控制电路方框图并标注各元件功能。 · 独立完成四道分层思考题，动笔书写完整分析、简答依据，自行对照梳理错题，标记容易混淆的电路分层逻辑。 · 跟随教师复盘本节课实操制作 + 前沿拓展完整探究主线，理清四张配图对应的四大核心知识板块。 · 记录四类典型认知误区，在课本对应位置标注提醒自己规避。 · 完整记录课后三层作业，区分概念识记、对比简答、电路框图设计三类任务。 环节六 课堂收尾 · 回扣开篇面包板实物图进行收尾总结：本节课我们认识了电路调试专用面包板，拆解了温度报警器完整自动控制电路，类比推导无人驾驶智能汽车三层系统，了解了我国自主无人驾驶研发成就，明白了所有自动控制设备统一底层逻辑都是传感器采集非电学量，经过放大电路处理后驱动执行器件，至此第五章传感器全章理论、应用、实操、前沿拓展内容全部学习完毕。 · 完整回顾本节课全部核心内容：面包板接线规则、温度报警器四层控制电路、无人驾驶感知 / 运算 / 执行三层架构、国产自动驾驶科技成就，清晰记住四张配图对应的完整探究主线，整合第五章 1～4 节传感器定义、元件、应用、自制控制电路构建完整统一知识框架。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托面包板外观与背面连线图、温度报警器电路方框图、无人驾驶汽车结构示意图、无人驾驶实车路测照片四组教材素材，沿着实操电子制作、简易温控电路拆解、智能汽车系统类比、国产自动驾驶科技拓展的完整脉络落实多维育人目标。第一，面包板、自制温控报警器是电子工程入门基础实验，严谨规范的接线、分步排查故障的实操训练，培养学生精益求精、务实严谨的工程实验素养；第二，我国八十年代起自主攻关无人驾驶技术，国防科大、上海交大、一汽等单位实现从无到有的技术突破，摆脱国外电控、传感芯片垄断，激励学生扎实学好传感器、控制电路等基础物理知识，投身国产智能汽车、电子智能制造关键领域，树立科技强国、自主创新的理想；第三，温度报警安防电路、车载安全传感系统能够预警高温、规避行车事故，传感控制技术守护生产、出行生命安全，体现物理技术服务民生安全的社会价值；第四，一套报警器、一辆自动驾驶汽车需要传感、放大、运算、执行多模块协同配合，培养学生统筹规划、分层系统分析复杂工程问题的全局思维；第五，课堂简易自制电路与高端无人驾驶底层物理原理完全一致，引导学生重视课本基础物理规律，明白基础理论是高端前沿科技的底层支撑，树立学以致用、基础为本的科学观念。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课面包板、电路方框图、智能汽车结构图兼具实操与前沿科技特色，四人小组两套控制系统对比讨论、同桌模块类比辨析课堂参与度较高，但学生存在四类顽固认知误区，对面包板连通规律、三极管放大作用、无人驾驶感知元件、电源供电范围理解存在薄弱点：第一，大量学生误以为面包板全部插孔互相连通，混淆横向、纵向隔离规则；第二，忽略三极管放大的核心过渡功能，认为传感微弱电流可直接驱动蜂鸣器、LED；第三，认为无人驾驶仅依靠单一摄像头感知环境，不清楚激光雷达、毫米波雷达、温度转速多类传感器协同采集；第四，误以为电源只给蜂鸣器、电控执行机构供电，传感器、放大电路同样需要电源；同时部分学生自主类比简易报警器推导无人驾驶三层系统的迁移推理能力偏弱，难以建立大小控制系统的统一底层逻辑。 2. 修改措施 第一，课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：面包板横向导通纵向隔离、三极管必须放大微弱传感信号、无人驾驶多类传感器协同感知、电源为全电路所有模块供电； 第二，课堂增加四轮抢答互动练习：面包板连通规则、三极管功能、无人驾驶感知元件、控制电路电源范围问答，快速纠正基础认知误区； 第三，延长四人小组简易报警器与无人驾驶系统对比讨论时长，帮扶迁移推理薄弱学生整理两套系统模块对应对照表； 第四，课后配套分层作业，基础层抄写面包板规则、温控报警器四层模块、无人驾驶三层架构；提升题完成简易电路与自动驾驶系统对比简答题；拓展作业绘制光控 LED 完整控制方框图； 第五，第五章全章复习课课前两分钟快速复盘各类传感器、控制电路通用框架，整合整章知识体系。 学科网（北京）股份有限公司 $