王辰晨,楊曉梅，葉峻銘

(寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

2016年，教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中首次明確指出，要積極探索STEM教育等新的教育模式的應(yīng)用，著力提升學(xué)生能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展[1]. STEM教育理念旨在學(xué)科交互融合的基礎(chǔ)上，從科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)4個(gè)方面提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力.

自組裝實(shí)驗(yàn)儀有別于普通物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的優(yōu)勢(shì)是它能充分融合不同維度的教學(xué)目標(biāo)，從各方面將教學(xué)效果真正落到實(shí)處. 因此，本文從介紹自組裝探究電功轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)儀的原理及作用起，并闡述STEM教育理念與之相結(jié)合的具體體現(xiàn).

1 自組裝探究電功轉(zhuǎn)化演示儀介紹

自組裝探究電功轉(zhuǎn)化演示儀是由一道中考復(fù)習(xí)題演化過(guò)來(lái)的，如圖1所示.

圖1 中考復(fù)習(xí)題

在進(jìn)行習(xí)題講解的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于“有用功”和“總功”的概念理解不清，并不能在不同的條件下正確地對(duì)題目進(jìn)行分析. 所以筆者將“有用功”以及“總功”的概念用可視化的教具呈現(xiàn)在學(xué)生的眼前. 但單純地用手拉繩子，很難實(shí)現(xiàn)恒力這一條件. 因此，選用電動(dòng)機(jī)勻速驅(qū)動(dòng)繩子從而獲得恒力，將繞過(guò)定滑輪的物塊提升一定的高度，即將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程作為實(shí)驗(yàn)儀研究主體.

1.1 制作過(guò)程

自線(xiàn)裝探究電功轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖如圖2所示. 選用工作電壓為3～12 V，負(fù)載電流為70～250 mA的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格，選擇4節(jié)1.5 V帶有開(kāi)關(guān)的電池盒，50 Ω，1.5 A的滑動(dòng)變

圖2 自組裝探究電功轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

阻器，量程為5 V的直流電壓表，量程為200 mA的直流電流表，50 cm的刻度尺，定滑輪. 為減小記錄時(shí)間的誤差，以籃球場(chǎng)上專(zhuān)用的數(shù)字計(jì)時(shí)器電路板作為實(shí)驗(yàn)儀中的計(jì)時(shí)工具. 由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向應(yīng)該能通過(guò)調(diào)節(jié)而改變，故在電路中加了2個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)作為換向器，并連接在電動(dòng)機(jī)兩端，這樣就可以在不改變其他元件電流方向的同時(shí)只改變電動(dòng)機(jī)電流方向. 為了測(cè)量方便，提升的物塊選擇有質(zhì)量標(biāo)識(shí)的鉤碼.

1)在1塊平整木板的底部固定4塊小木塊作為支撐，并在木板的合適位置鉆孔，將實(shí)驗(yàn)元件按照順序擺放有序，并用導(dǎo)線(xiàn)連接設(shè)計(jì)的電路.

2)用瓦楞紙、白紙以及熱熔膠做出能夠固定刻度尺和定滑輪的“柱子”，并將其固定在電動(dòng)機(jī)旁邊合適的位置.

3)在電動(dòng)機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上固定細(xì)繩，將細(xì)繩的另外一端繞過(guò)定滑輪，垂在刻度尺的前面，便于通過(guò)刻度尺讀出物塊的位置.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

圖3 自組裝探究電功轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)儀原理圖

2 STEM理念在實(shí)驗(yàn)儀中的體現(xiàn)

為了體現(xiàn)STEM教育的4個(gè)維度，圍繞自組裝探究電功轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)儀，站在學(xué)生的角度，分別制訂了各個(gè)領(lǐng)域具體且有針對(duì)性的教學(xué)目標(biāo)[2].

首先是S(科學(xué)). 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此部分內(nèi)容的要求是：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)能量可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)化到另一個(gè)物體，不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化；結(jié)合實(shí)例，認(rèn)識(shí)功的概念，知道做功的過(guò)程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程；從能量轉(zhuǎn)化的角度認(rèn)識(shí)電源和用電器的作用[3]. 基于課標(biāo)的要求，在進(jìn)行自組裝實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)中，就以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電路作為主體，以帶有刻度尺和定滑輪的“柱子”作為輔助，以這種可視的形式將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程呈現(xiàn)在學(xué)生面前；實(shí)驗(yàn)儀在運(yùn)行過(guò)程中，可以從“總功”與“有用功”的概念入手，讓學(xué)生知道在此過(guò)程中，將物塊提升是實(shí)驗(yàn)的最終目的，那么在此過(guò)程中，“有價(jià)值”的功就應(yīng)該為物塊克服自身重力所做的功. 電源通過(guò)電路將電流輸送給電動(dòng)機(jī)，以此驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使物塊被提升，所以電源給電動(dòng)機(jī)的輸入電功就是整個(gè)過(guò)程中的“總功”. 通過(guò)這種形式讓學(xué)生更好地理解此部分內(nèi)容，并能夠熟練運(yùn)用知識(shí)去解決實(shí)際的物理問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

其次是T(技術(shù)). 義務(wù)教育物理課程是一門(mén)注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程. 在此實(shí)驗(yàn)儀的操作中，理解電路原理圖，能夠獨(dú)立地連接電路以及理解電路中每一個(gè)元件的接法. 當(dāng)接通電路，物塊被提升一定高度后，細(xì)繩就會(huì)繞在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，做下一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，還要手動(dòng)解開(kāi)細(xì)繩，這樣做費(fèi)時(shí)費(fèi)力. 所以想要通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)充當(dāng)換向器，通過(guò)改變電流的方向改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并且單刀雙擲開(kāi)關(guān)只能連接在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)，這樣才能確保改變開(kāi)關(guān)方向后，不改變除電動(dòng)機(jī)以外的其他元件的電流方向. 只有真正理解了實(shí)驗(yàn)儀的構(gòu)造及原理，才能充分的利用實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行科學(xué)的探究，從而習(xí)得相關(guān)的科學(xué)知識(shí). 讓學(xué)生在動(dòng)手操作的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通過(guò)實(shí)踐解決問(wèn)題的科學(xué)態(tài)度，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維.

然后是E(工程). 義務(wù)教育物理課程應(yīng)注重與生產(chǎn)、生活實(shí)際及時(shí)代發(fā)展的聯(lián)系. 起重機(jī)的實(shí)驗(yàn)原理為通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，將動(dòng)力的能量輸入，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再傳遞給取物裝置，這和此實(shí)驗(yàn)儀的原理有異曲同工之妙. 從實(shí)驗(yàn)儀的原理入手，再對(duì)起重機(jī)的原理加以解釋?zhuān)寣W(xué)生體會(huì)物理知識(shí)在常見(jiàn)的工程儀器中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣. 告訴學(xué)生知識(shí)能通過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)最終應(yīng)用于生活、工作及實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感.

最后是M(數(shù)學(xué)). 實(shí)驗(yàn)儀能夠通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)元件的讀數(shù)來(lái)記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算來(lái)定量分析探究電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，并計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率. 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械效率的要求是：知道機(jī)械效率，了解提高機(jī)械效率的途徑和意義[3]. 而在定量探究方面，設(shè)計(jì)了讓學(xué)生能夠清晰地理解所測(cè)量的物理量與計(jì)算公式之間的關(guān)系的表格，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要多測(cè)幾次求平均值，這樣能夠減小實(shí)驗(yàn)誤差；還要讓學(xué)生知道，在進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，至少要有5組數(shù)據(jù)作為支撐，才能夠有說(shuō)服力.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)計(jì)算與作圖，讓學(xué)生自己總結(jié)物理規(guī)律，不僅讓學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究的過(guò)程，還能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，同樣也加深了學(xué)生對(duì)于此部分內(nèi)容的理解.

3 結(jié)束語(yǔ)

將STEM理念融入自組裝探究電功轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)儀，從科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)4個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力，教師從有別于三維目標(biāo)及科學(xué)素養(yǎng)以外的視角去進(jìn)行課程及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，更加注重學(xué)生的主體性，注重學(xué)生的需求，從多樣化的維度來(lái)設(shè)置目標(biāo)，能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中增加學(xué)習(xí)興趣.