曾慶河 盧亞軍 張軼炳 丁龍

摘? ?要：文章將STEM教育理念融入微安表改裝成多量程的電流表和電壓表實(shí)驗(yàn)中，并對該實(shí)驗(yàn)各個環(huán)節(jié)進(jìn)行理論分析。旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，提高學(xué)生將科學(xué)知識應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM理念;實(shí)驗(yàn);電表的改裝;物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1003-6148（2020）11-0051-4

1? ? 引? 言

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)將科學(xué)S（Science）、技術(shù)T（Technology）、工程E（Engineering）和數(shù)學(xué)M（Mathematics）四個學(xué)科相融合，打破學(xué)科之間的壁壘，將知識間的聯(lián)系作為教學(xué)內(nèi)容組織的原則與依據(jù)，基于真實(shí)世界中的問題情境開展教學(xué)[1]。物理學(xué)作為自然科學(xué)的一門重要的分支，肩負(fù)著綜合培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)的使命，許多教師都已經(jīng)做了有益的嘗試，具有一定的借鑒意義。例如，提倡開展基于真實(shí)問題情境，以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，數(shù)學(xué)作為輔助工具，應(yīng)用學(xué)生正在學(xué)習(xí)的科學(xué)知識解決實(shí)際問題的STEM課程[2]。

物理實(shí)驗(yàn)涉及到實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析、形成結(jié)論、評估交流等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)在某種程度上都包含了STEM要素，如果將這些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷解釋科學(xué)原理（S）、應(yīng)用各類技術(shù)（T）、設(shè)計(jì)工程方案（E）及構(gòu)建數(shù)學(xué)模型（M）過程，從而達(dá)到綜合提升學(xué)生STEM素養(yǎng)的目的。本文以“電表的改裝”這節(jié)實(shí)驗(yàn)課為例，探討物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透STEM理念的教學(xué)模式。

2? ? STEM理念的內(nèi)涵及教學(xué)理念

STEM理念是指科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，但每個概念都有其豐富的內(nèi)涵，這里僅簡要解讀。

2.1? ? STEM的內(nèi)涵及物理學(xué)中包含的STEM要素

2.1.1? ? 科學(xué)（S）

（1）科學(xué)概念：科學(xué)是關(guān)于探索自然規(guī)律的學(xué)問，是人類探索、研究、感悟宇宙萬物變化規(guī)律的知識體系的總稱，是建立在可檢驗(yàn)的解釋和對客觀事物的形式、組織等進(jìn)行預(yù)測的有序的知識的系統(tǒng)。

（2）物理科學(xué)：物理學(xué)是科學(xué)的一個分支，是研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、物質(zhì)之間的相互作用及其運(yùn)動規(guī)律的一門學(xué)科，是基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系[3]。

2.1.2? ? 技術(shù)（T）

（1）技術(shù)概念：技術(shù)是指解決具體問題的方法及方法原理，制造產(chǎn)品的系統(tǒng)知識，過程中采用的工藝或提供的服務(wù)[4]。

（2）物理實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)：做物理實(shí)驗(yàn)的過程也是使用技術(shù)產(chǎn)品解決問題的過程，必須具備使用產(chǎn)品的知識和操作技術(shù)。

2.1.3? ? 工程（E）

（1）工程概念：工程是運(yùn)用科學(xué)知識和技術(shù)手段，將某種設(shè)想通過研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、測試等一系列步驟轉(zhuǎn)化成具有預(yù)期使用價(jià)值的目標(biāo)產(chǎn)品的過程。

（2）物理實(shí)驗(yàn)中的工程：工程與技術(shù)的主要區(qū)別是工程是一個項(xiàng)目化的過程，而技術(shù)可以是工程中的一些具體應(yīng)用。但通常人們也會混合使用這兩個概念[5]。

2.1.4? ? 數(shù)學(xué)（M）

（1）數(shù)學(xué)及數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)是利用符號語言研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化以及空間等概念的一門學(xué)科;數(shù)學(xué)模型是針對參照某種事物系統(tǒng)的特征或數(shù)量依存關(guān)系，采用數(shù)學(xué)語言概括地或近似地表述出的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)的具體概念范疇包括算術(shù)、代數(shù)、函數(shù)、幾何、統(tǒng)計(jì)和概率，被廣泛運(yùn)用于科學(xué)、工程和技術(shù)領(lǐng)域。

（2）物理學(xué)中的數(shù)學(xué)：物理中的數(shù)學(xué)主要是實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。物理中的各種公式及函數(shù)圖都可以認(rèn)為是物理中的數(shù)學(xué)模型;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及誤差分析屬于數(shù)學(xué)技能，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建出的各種函數(shù)模型、推理出的物理公式可以說屬于數(shù)學(xué)建模。

2.2? ? STEM教育理念

STEM教育理念通過一個項(xiàng)目展開學(xué)習(xí)，以學(xué)生為主體，以四個要素相互融合為主線，在教師的整體把握和指導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動參與，提高學(xué)生綜合利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四方面知識與技能，培養(yǎng)學(xué)生有效解決問題的能力。

3? ? 物理探究實(shí)驗(yàn)中的STEM應(yīng)用

3.1? ? 探究實(shí)驗(yàn)各個環(huán)節(jié)中的STEM滲透

STEM應(yīng)用模式多種多樣，本文中結(jié)合我國課標(biāo)和NGSS科學(xué)探究的八個環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，八個環(huán)節(jié)要求如下：①提出問題并定義問題;②建立與專題相關(guān)的物理模型;③寫出專題的設(shè)計(jì)原理和工作機(jī)制;④分析數(shù)據(jù)，解釋數(shù)據(jù);⑤運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型;⑥應(yīng)用物理原理解釋現(xiàn)象，設(shè)計(jì)新方案;⑦根據(jù)證據(jù)進(jìn)行討論;⑧獲取、評估和交流信息[6]。以高中物理“電表的改裝”的教學(xué)為例，在過程中滲透STEM各要素（教學(xué)流程如圖 1所示），探討其在物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。

上述流程圖體現(xiàn)了科學(xué)探究八個步驟與STEM四個要素的滲透關(guān)系?？茖W(xué)要素在八個環(huán)節(jié)都有不同程度的體現(xiàn)，工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)要素分別體現(xiàn)在各個環(huán)節(jié)。在“電表的改裝”實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行四個要素的整合非常明顯，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握科學(xué)原理，熟練地進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，學(xué)會設(shè)計(jì)電路圖，選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，最終經(jīng)過工程實(shí)踐完成改裝過程。

3.2? ? 電表改裝探究實(shí)驗(yàn)中的STEM

3.2.1? ? 提出問題并定義問題（S）

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了串并聯(lián)電路的原理，知道串聯(lián)電阻分壓，并聯(lián)電阻分流。也使用過實(shí)驗(yàn)室的電壓表和電流表，知道每個電壓表和電流表都是有量程的。

讓學(xué)生認(rèn)識到：當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的電流表和電壓表量程太小無法滿足測量要求時(shí)怎么處理？產(chǎn)生認(rèn)知需要，再引導(dǎo)學(xué)生思考能否通過串聯(lián)或者并聯(lián)電阻來對電壓表或電流表進(jìn)行改裝擴(kuò)容。在使學(xué)生產(chǎn)生對電表進(jìn)行改裝的想法后，引導(dǎo)學(xué)生思考并解決以下問題：①電表的工作原理是什么？②如何根據(jù)要求選擇儀器，設(shè)計(jì)電路？③如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與校準(zhǔn)？問題的提出和定義是解決問題的第一步，緊接著是引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地理解問題，找到解決問題的方向，在這個過程中滲透科學(xué)要素。

3.2.2? ? 弄清楚電表的工作機(jī)制和改裝原理（S、M）

常用的電壓表和電流表都是由小量程的電流表（表頭） 改裝而成的。表頭的工作原理涉及磁場對通電導(dǎo)線的作用。從電路的角度看，表頭就是一個電阻，表頭的電流可以從刻度盤上讀出來。改裝的原理是基于串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流的特點(diǎn)。理解原理是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，在科學(xué)、邏輯清晰地闡述原理的過程中體現(xiàn)了STEM教育理念中科學(xué)要素在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。

（1）電路設(shè)計(jì)

圖 2是改裝大量程電壓表的電路圖，表頭 和一個分壓電阻串聯(lián)組成一個整體，它相當(dāng)于一個改裝的電壓表，電壓表 作為校準(zhǔn)的電壓表并聯(lián)在電路中與改裝后的電壓表作對比。圖 3是改裝大量程電流表的電路圖。表頭 和一個分流電阻并聯(lián)成一個整體，作用相當(dāng)于一個改裝的電流表，電流表 作為校準(zhǔn)的電流表串聯(lián)在電路中與改裝后的電流表作對比。引導(dǎo)學(xué)生對兩個電路圖進(jìn)行分析，不難掌握電表的改裝原理。

（2）電阻的推導(dǎo)

物理學(xué)的數(shù)據(jù)處理離不開數(shù)學(xué)的計(jì)算，在電表的改裝中，運(yùn)用數(shù)學(xué)公式計(jì)算電路所需電阻的阻值尤為重要。在電壓表的改裝中（圖 2），分壓電阻R的計(jì)算公式為：

R=（ -1）Rg（1）

而在電流表的改裝中（圖 3），分流電阻R的計(jì)算方式為：

R= = （2）

計(jì)算所需電阻是選擇器材的前提，在原理的講解和公式的推導(dǎo)中滲透科學(xué)、數(shù)學(xué)要素。

3.2.3? ? 設(shè)計(jì)電表改裝實(shí)驗(yàn)的電路圖（S、T、E）

（1）設(shè)計(jì)前分析

在進(jìn)行電壓表或電流表的改裝實(shí)驗(yàn)前，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)單次連接電路僅能滿足一次實(shí)驗(yàn)要求，造成實(shí)驗(yàn)過程麻煩，電路連接復(fù)雜，改變測量對象時(shí)轉(zhuǎn)換不便?？紤]到學(xué)生電源、變阻箱和滑動變阻器等器件較大，導(dǎo)線連接復(fù)雜，最終用途僅實(shí)現(xiàn)一個量程的電壓表改裝等問題，教師引導(dǎo)學(xué)生對比兩個電路圖，思考能否通過簡化電路設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)電路圖。將兩個電路圖進(jìn)行對比，經(jīng)過工程設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)電路圖如圖 4所示。

（2）設(shè)計(jì)電路圖

圖 4中矩形框a和b表示根據(jù)實(shí)驗(yàn)改裝的需要在框位置處放置所需實(shí)驗(yàn)儀器。如在進(jìn)行電壓表的改裝中，將所需串聯(lián)電阻放在框b中，斷開開關(guān)S1，將校準(zhǔn)的電壓表（圖5A）放置在框a中，閉合開關(guān)S2，實(shí)現(xiàn)電壓表的改裝。同理，在進(jìn)行電流表的改裝實(shí)驗(yàn)中，將所需并聯(lián)電阻放在框a中，閉合開關(guān)S1，將校準(zhǔn)的電流表（圖5B）放置在框b中，斷開開關(guān)S2，實(shí)現(xiàn)電流表的改裝。在這個電路設(shè)計(jì)中，學(xué)生只需通過控制a、b框中實(shí)驗(yàn)器材的選擇和擺放，就可將改裝電流表和電壓表用一個電路圖實(shí)現(xiàn)。線路連接簡單、思路清晰、操作方便是它的優(yōu)點(diǎn)。

學(xué)會整合電路，將電壓表和電流表電路整合成一個電路圖是理解和使用萬用電表的基礎(chǔ)。萬用電表是一種可用來測量直流電流、直流電壓、交變電流、交變電壓以及電阻等的多功能儀表。其原理就是對測量電路的整合，實(shí)現(xiàn)不同量程的測量。學(xué)會電表的改裝，最終目的是為了讓學(xué)生學(xué)會萬用電表的制作原理和使用方法。

3.2.4? ? 計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、選擇器材（S、T、E、M）

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算

在本次實(shí)驗(yàn)中，需對量程為1 mA的微安表進(jìn)行改裝，表頭內(nèi)阻Rg為144.6 Ω。如需將此微安表改裝成量程為0～3 V的電壓表，根據(jù)公式（1）代入數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算出所需串聯(lián)的電阻R1阻值為2855.4 Ω（圖 5C）。同理，將量程為1 mA的微安表改裝成量程為0～0.6 A的電流表，根據(jù)公式（2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算需并聯(lián)的電阻R2阻值為0.24 Ω（圖 5D）。引導(dǎo)學(xué)生了解電表的相關(guān)參數(shù)和改裝量程，計(jì)算串并聯(lián)電阻的阻值，在過程中體會數(shù)學(xué)的應(yīng)用。

（2）實(shí)驗(yàn)器材的選擇

計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)所需電阻后，給學(xué)生提供器材，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要進(jìn)行電阻組合。相對于滑動變阻器體型大、精確度低，教師提供的水泥電阻，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、可選量程多、連接方便。教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析器材的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)需要選擇合適的器材，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)能力和工程實(shí)踐能力。

3.2.5? ? 連接電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（S、T、E、M）

指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐制造實(shí)驗(yàn)電路板，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，鍛煉學(xué)生動手操作的能力和做實(shí)驗(yàn)的工程技術(shù)水平。實(shí)驗(yàn)電路板如圖 6所示。

如圖 7所示，電源E的電壓為1.5 V，R是可變電位器，阻值為0～2000 Ω，其功能為保護(hù)表頭的同時(shí)使電壓表量程從0開始連續(xù)變化到滿偏。如將1 mA的磁電式毫安表改裝成量程為0～3 V的電壓表，將電阻R（圖 5C）放于b處，校準(zhǔn)的電壓表（圖 5A）放在a處，再斷開開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2，實(shí)現(xiàn)電壓表的改裝。

同理，將1 mA的磁電式毫安表改裝成量程為0～0.6 A的電流表，將電阻R（圖 5D）放于a處，校準(zhǔn)的電流表（圖 5B）放在b處，再斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，實(shí)現(xiàn)電壓表的改裝。指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，讓學(xué)生學(xué)會處理實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題，掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)方法與步驟。

3.2.6? ? 電表校準(zhǔn)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)（S、T、E、M）

改裝后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電壓表（或電流表）的示數(shù)在進(jìn)行測試的時(shí)候可能與實(shí)際電壓（或電流）不匹配，此時(shí)應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電表的校準(zhǔn)。電表的校準(zhǔn)是電表改裝中的重要一環(huán)，校準(zhǔn)的目的是評定該表在擴(kuò)大量程或改裝后是否仍符合原電表的準(zhǔn)確等級。校準(zhǔn)時(shí)繪制表格記錄數(shù)據(jù)，繪制校準(zhǔn)曲線，確定電表等級，計(jì)算不確定度。數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用在這個環(huán)節(jié)尤為重要，同時(shí)也需要科學(xué)知識的支持和工程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3.2.7? ? 誤差分析（S、T、E、M）

誤差分析是本實(shí)驗(yàn)中一個很重要的環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)誤差的分析應(yīng)結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行分析，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論總結(jié)，歸納出主要出現(xiàn)誤差的幾個方面：小量程電流表的參數(shù)不標(biāo)準(zhǔn)或指針擺動不標(biāo)準(zhǔn);串并聯(lián)電阻的計(jì)算值與實(shí)際儀器的阻值不匹配;實(shí)驗(yàn)其他儀器老舊造成的不標(biāo)準(zhǔn)等。誤差分析能力不止是數(shù)學(xué)問題，更是科學(xué)、技術(shù)問題，甚至涉及到工程設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生圍繞出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差的原因展開討論與探究至關(guān)重要。

3.2.8? ? 匯報(bào)交流（S、T、E、M）

匯報(bào)交流是學(xué)生將這個實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與同學(xué)進(jìn)行交流的過程，是模擬科學(xué)家作學(xué)術(shù)報(bào)告的過程，所以涉及了STEM的所有要素，需要在最短的時(shí)間里將本組或者自己的實(shí)驗(yàn)思想呈現(xiàn)出來，是對學(xué)生學(xué)術(shù)報(bào)告撰寫能力的考驗(yàn)，呈現(xiàn)形式可以是PPT展示，也可以進(jìn)行實(shí)物展示。

4? ? 結(jié)? 語

STEM理念在科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的滲透尤為重要，促進(jìn)核心素養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)綜合性人才。本案例采用實(shí)驗(yàn)探究的方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性?；赟TEM理念中的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個方面的綜合應(yīng)用展開實(shí)驗(yàn)，在實(shí)施教學(xué)中利用實(shí)驗(yàn)儀器在物理課堂中實(shí)現(xiàn)STEM理念的滲透。最終的目標(biāo)是通過滲透STEM理念，讓學(xué)生根據(jù)科學(xué)原理設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)方案、電路圖，將數(shù)學(xué)、技術(shù)貫穿工程實(shí)踐當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)電表的改裝，最終能掌握萬用電表的原理甚至制造萬用電表。

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（欄目編輯? ? 王柏廬）