摘 要 將靜電場教學(xué)實踐中遇到的問題，作為課外拓展課題研究是新工科人才培養(yǎng)的有效方式之一。本文基于STEAM 教育理念，采用項目式學(xué)習(xí)，以學(xué)生為主體，以跨學(xué)科融合和創(chuàng)新為導(dǎo)向，制定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法。將物理理論和實驗創(chuàng)新有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和Matlab程序，設(shè)計出新型可視化電場自動測繪儀。該儀器操作簡便高效，測量精度高，還能直觀展示電場的動態(tài)變化。而學(xué)以致用的過程，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和知識綜合運用能力，也為高校的教學(xué)改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞 STEAM 教育理念;項目式學(xué)習(xí);電場自動測繪儀

密立根說：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗。有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。只有使用兩條腿，才能前進(jìn)?！贝髮W(xué)物理是高校理工科各專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、高階思維和創(chuàng)新能力起著重要作用，但傳統(tǒng)教學(xué)中“重理論、輕實驗”的情況，不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的到來，如何培養(yǎng)新工科背景下新經(jīng)濟(jì)所需的實踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才，已成教學(xué)改革探討的熱點問題[1，2]。

新工科強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性和綜合性，而傳統(tǒng)教學(xué)缺乏綜合能力培養(yǎng)。2015年，教育部提出要探索STEAM 新教育模式，加快創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)步伐[3]。STEAM 教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)為一體的多學(xué)科綜合性教育，是一種重實踐的超學(xué)科教育理念。它打破常規(guī)學(xué)科界限，以跨學(xué)科融合和創(chuàng)新為導(dǎo)向，增強(qiáng)學(xué)生解決實際問題和終身學(xué)習(xí)的能力。因物理學(xué)科與STEAM 教育理念共融，故在物理教學(xué)中融入STEAM 教育的可操作性更強(qiáng)[4]。通過項目式學(xué)習(xí)能有效進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[5]。

大學(xué)物理中研究靜電現(xiàn)象及其應(yīng)用時，需要確定帶電體周圍的電場分布情況，但電場理論抽象難懂，大都不能求出其電場分布，往往采用實驗方法模擬測繪。實際教學(xué)中，就有“用模擬法測繪靜電場”的經(jīng)典實驗，所用實驗裝置基于打點法，實驗者要描繪電場分布就需手動測量待測電場中上百個位置的電勢值，操作耗時、誤差大。鑒于此，不少研究探討了此實驗，例如：有研究用指數(shù)擬合法、二元線性回歸法等數(shù)據(jù)處理方法來減小誤差[6];也有研究以此實驗為對象，開發(fā)了虛擬仿真實驗，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容[7]。但進(jìn)一步融合大學(xué)物理和實驗，開發(fā)電場自動測繪儀仍是很有意義的課題。

本文在STEAM 教育理念下，開展大學(xué)物理的課外拓展課題研究。結(jié)合教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，采用項目式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生對電場測繪儀進(jìn)行開發(fā)。筆者團(tuán)隊運用單片機(jī)技術(shù)和Matlab軟件，設(shè)計開發(fā)了一種能同時測出多個位置電勢的新型電場自動測繪儀。

1 STEAM 教育的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法

1.1 教學(xué)目標(biāo)

基于STEAM 教育理念制定課外拓展課題的教學(xué)目標(biāo)時，要注重跨學(xué)科融合性、實踐互動性和開放自主性。結(jié)合“電場自動測繪儀”的設(shè)計思路，從知識、技能、思維、素養(yǎng)四個維度設(shè)定了教學(xué)目標(biāo)，如表1所示。

1.2 教學(xué)方法

根據(jù)教學(xué)環(huán)境和學(xué)生實際情況，在項目式學(xué)習(xí)中融入了三種教學(xué)方法[4]。

（1） 實驗探究法：教師作為組織者，讓學(xué)生通過親身參與實驗的設(shè)計操作、測試交流和評價優(yōu)化過程，探索出解決問題的方案，增強(qiáng)高階思維能力。

（2） 合作討論法：以小組形式，通過分工合作、取長補(bǔ)短共同完成開發(fā)項目。這種方法很適合綜合性強(qiáng)的項目式學(xué)習(xí)，能發(fā)揮團(tuán)隊優(yōu)勢。

（3） 自主學(xué)習(xí)法：以學(xué)生為認(rèn)知主體，培養(yǎng)其獨立思考和自主學(xué)習(xí)能力，變“學(xué)會”為“會學(xué)”。

2 STEAM—項目式學(xué)習(xí)的實施過程

2.1 項目前期

（1） 發(fā)現(xiàn)問題、確定任務(wù)。在教學(xué)中，先讓學(xué)生完成傳統(tǒng)的靜電場測繪實驗，鼓勵學(xué)生用心觀察體會，提出問題，并將發(fā)現(xiàn)的問題匯總。然后，在教師引導(dǎo)下探討確定課題研究任務(wù)。理論聯(lián)系實際，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（2） 設(shè)定目標(biāo)、團(tuán)隊分工。項目基于STEAM教育理念，以學(xué)生為主體，從科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)五方面構(gòu)建多元化的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

按圖1所示流程，展開設(shè)計研究工作。先在教師組織下，根據(jù)自身特長確定分組成員。然后，針對現(xiàn)有測繪儀的不足之處，通過自主學(xué)習(xí)，掌握項目所需的物理、實驗、單片機(jī)和計算機(jī)等相關(guān)理論知識。

2.2 項目中期

（1） 教師引導(dǎo)、分組設(shè)計。在教師引導(dǎo)下，將所學(xué)理論知識和單片機(jī)技術(shù)、編程技術(shù)、實驗技術(shù)用于設(shè)計系統(tǒng)裝置和儀器制作。各小組具體任務(wù)如表2所示。

學(xué)生將多學(xué)科知識融會貫通，構(gòu)建綜合知識體系，實現(xiàn)知識的橫向互補(bǔ)。鼓勵學(xué)生提出多元設(shè)計方案，體驗失敗。在發(fā)現(xiàn)、解決現(xiàn)實問題的過程中體驗科學(xué)探究的樂趣，提升學(xué)生的實踐能力。

（2） 分組實驗、展示交流。要用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場，就要使兩者滿足相同的數(shù)學(xué)方程和邊界條件。即①所測電極的形狀和帶電體的幾何形狀相同;②電極和導(dǎo)電介質(zhì)要接觸良好，導(dǎo)電介質(zhì)是均勻各向同性介質(zhì);③電極的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率。因此，實驗采用與電源正負(fù)極連接的兩個點電極的穩(wěn)恒電流場來模擬等量異號的點電荷系的電場，而導(dǎo)電介質(zhì)選擇與電極接觸良好且導(dǎo)電率均勻的導(dǎo)電溶液。分兩組進(jìn)行實驗，分別選用0.5mol/L 的Na2SO4 溶液和0.5mol/L 的NaHCO3 溶液。然后結(jié)合數(shù)學(xué)對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，兩組進(jìn)行展示交流。通過實驗探究和展示交流，提高了學(xué)生的操作技能和組織表達(dá)能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，體會數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)之美。

（3） 師生探討、優(yōu)化方案。師生根據(jù)實驗結(jié)果對實驗裝置反復(fù)交流探討，找到設(shè)計中的不足，不斷優(yōu)化，形成的最終設(shè)計方案如下：

系統(tǒng)裝置如圖2所示，主要包括電場測繪儀模塊、導(dǎo)電溶液盒和輸出顯示單元。探針均勻分布在測繪儀的主體電路板上，可同時測出不同場點處的電勢值，提高了實驗的效率和精度。

該系統(tǒng)裝置的工作流程如圖3所示。測繪儀的主體由核心板和電勢測量主板構(gòu)成，儀器通過單片機(jī)控制主板芯片，選擇待測探針，打開對應(yīng)通道，高效準(zhǔn)確地采集處理電勢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動測量功能。

設(shè)計的電勢測量主板主要包括譯碼器、模擬開關(guān)、探針等，其電路原理圖和焊接完成的實物分別如圖4和圖5所示。此設(shè)計不僅便于系統(tǒng)搭建和故障排除，還可在不犧牲性能的情況下節(jié)約成本。

裝置的控制及測繪系統(tǒng)由單片機(jī)控制，其控制模塊的軟件流程如圖6所示。先設(shè)定采樣通道次序和中斷函數(shù)，再通過探針測量單通道電壓，并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后判斷是否符合數(shù)據(jù)采集條件。若符合條件，就通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦;若不符合條件，就改變測量通道，重復(fù)操作，直到完成對整個穩(wěn)恒電流場的測量。

結(jié)合Matlab軟件具有實時數(shù)據(jù)采集處理并將數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢[8]，裝置通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦，運行組員編寫的Matlab程序就能自動繪制成圖。這比手工繪圖更準(zhǔn)確美觀，還能實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。學(xué)生在體會學(xué)以致用的成就感時，也強(qiáng)化了創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作能力。項目有效融合多學(xué)科知識，體現(xiàn)了STEAM 教學(xué)的跨學(xué)科融合性;而自主設(shè)計的過程，也體現(xiàn)了STEAM 教學(xué)的實踐互動性和開放自主性。

2.3 項目后期

（1） 系統(tǒng)測試、總結(jié)評價。開發(fā)的測繪儀具體操作方法如圖7所示。

對儀器進(jìn)行系統(tǒng)測試，繪制出可視化電場分布圖，如圖8和圖9所示。這使大學(xué)物理中抽象的電場分布直觀形象化，能深化學(xué)生對靜電場理論的理解，還能感受物理學(xué)的理性美和科學(xué)的簡潔美。

為了檢驗實驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，再用COMSOL仿真軟件對相同濃度的Na2SO4 溶液和NaHCO3 溶液中的電場分布進(jìn)行仿真模擬，如圖10所示。

研究結(jié)果顯示，實驗所測兩種導(dǎo)電溶液中點電極的電場線分布均與等量異號的點電荷系的電場線分布相符，且與COMSOL 軟件的仿真結(jié)果也吻合?？梢?，實驗選用的導(dǎo)電溶液只要符合設(shè)計方案中的條件就可以，其測量結(jié)果是相同的。圖像邊緣在細(xì)節(jié)上與理想電場存在一些小的差異，分析其原因，主要是由于實驗所用導(dǎo)電溶液盒大小有限，實際的測量結(jié)果受到有限邊界的影響。

總體而言，相較于傳統(tǒng)的靜電場測繪實驗，優(yōu)化改進(jìn)后的電場自動測繪儀操作簡便，能高效精準(zhǔn)地測繪更多數(shù)據(jù)點，使模擬圖線平滑美觀，也使測繪結(jié)果更合理可靠。實驗還可拓寬測繪范圍，測量不同電極系統(tǒng)在不同導(dǎo)電介質(zhì)中的電場1分布。

（2） 解決問題、反思改進(jìn)。通過項目開發(fā)，解決了教學(xué)中的實際問題，豐富了大學(xué)物理和實驗的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生的知識遷移能力。今后還可將電極系統(tǒng)放置在可升降的支架上，通過調(diào)節(jié)支架高度測量導(dǎo)電溶液內(nèi)不同深度處的電場，繪出三維電場分布圖。也可以進(jìn)一步優(yōu)化電路板設(shè)計，提高集成度，讓儀器更精巧。

3 結(jié)語

本文基于單片機(jī)技術(shù)和Matlab程序，自主設(shè)計開發(fā)了一套可視化的電場自動測繪儀。該儀器不僅兼具傳統(tǒng)儀器的功能，還具有操作簡便高效、精度高、數(shù)據(jù)可視化等優(yōu)點。

整個開發(fā)過程基于STEAM 教育理論，建立多維度的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行全方位育人。把不同學(xué)科的知識整合在項目中，讓學(xué)生融會貫通，學(xué)以致用。通過團(tuán)隊探索，以發(fā)現(xiàn)、解決實際問題為核心，從知識、技能、思維和素養(yǎng)四個維度提升參與者的創(chuàng)新能力和知識綜合運用能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科思維和批判性思維。而團(tuán)隊合作增強(qiáng)了學(xué)生的協(xié)作溝通能力和責(zé)任感，在潛移默化中提升了學(xué)生的工程素養(yǎng)。這為新工科背景下創(chuàng)新型應(yīng)用人才的培養(yǎng)和大學(xué)物理教學(xué)改革提供了新思路。

參 考 文 獻(xiàn)

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基金項目： 江蘇省高等教育教改研究重點項目（2023JSJG683）、江蘇省青藍(lán)工程優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)項目、教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教指委（華東地區(qū)）高等學(xué)校教學(xué)研究項目（2023JZWHD01）、大中物理教育銜接工作委員會教學(xué)研究課題（WX202313）、中國礦業(yè)大學(xué)“教育數(shù)字化專項”（2022ZX12、2023ZX38）資助。