基于STEM教育的學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)

潘越 葛春洋 陳乾

摘要：在STEM教育大力開(kāi)展的背景之下，設(shè)計(jì)了利用銅線、電池、磁鐵等生活中的資源制作“簡(jiǎn)易小馬達(dá)”的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生在解決科學(xué)與工程問(wèn)題的過(guò)程中提高科學(xué)探究能力，并且在“金鑰匙”活動(dòng)中成功開(kāi)展。最后，結(jié)合時(shí)代發(fā)展和熱點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)一步改進(jìn)了“簡(jiǎn)易小馬達(dá)”的實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：STEM教育；生活化；探究；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1008-0546（2018）11-0079-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.026

一、問(wèn)題提出

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育是科學(xué)，技術(shù)，工程與數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)在同一個(gè)主題下的相互聯(lián)系與應(yīng)用，目前已成為發(fā)達(dá)國(guó)家科學(xué)教育改革的新追求之一。在STEM教育開(kāi)展的背景下，我國(guó)科學(xué)教育的課程內(nèi)容和課程模式也有了很大的改進(jìn)，教學(xué)內(nèi)容更加注重實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生聚焦不同領(lǐng)域知識(shí)之間的聯(lián)系，倡導(dǎo)學(xué)生在工程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)，在實(shí)踐中體悟科學(xué)，在主動(dòng)學(xué)習(xí)與自主探索中發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。STEM教育有可能改善科學(xué)教育中存在的學(xué)生實(shí)驗(yàn)不足、實(shí)驗(yàn)可操作性不強(qiáng)、探究性不足、STS教育過(guò)于零散等缺點(diǎn)。目前，我國(guó)基礎(chǔ)教育的科學(xué)課程與數(shù)學(xué)學(xué)科的融合基礎(chǔ)良好，但與科技、工程的結(jié)合存在明顯不足。因此，如何進(jìn)一步有效利用生活中的教學(xué)資源，合理設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生更好地形成科學(xué)素養(yǎng)與工程素養(yǎng)，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

偉大的教育家傅鷹說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的最高法庭?！睂?shí)驗(yàn)幫助學(xué)生走近生活與科學(xué)，在自主實(shí)踐中更好地掌握科學(xué)的基本概念與原理。對(duì)于實(shí)驗(yàn)的選擇和開(kāi)發(fā)，英國(guó)里丁市Kendrick中學(xué)的Shallard老師認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)應(yīng)與生活實(shí)際密切相關(guān)，在生活中尋找實(shí)驗(yàn)用品，并且讓學(xué)生在真實(shí)的情境中用科學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)解釋或解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體會(huì)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法的應(yīng)用價(jià)值。

馬達(dá)是英文“motor”的英譯，又稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)。馬達(dá)用途廣泛，大至重型工業(yè)，小至兒童玩具都能找到它的蹤跡。本文選用銅線、電池、磁鐵等生活用品，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易小馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)。開(kāi)發(fā)利用了社會(huì)、生活中的教學(xué)資源，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力與合作思考能力，幫助學(xué)生們進(jìn)一步了解工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)。

二、實(shí)驗(yàn)原理

如圖1，能夠?qū)щ姷拇盆F形成了磁場(chǎng)，在一個(gè)截面上形成了如圖中細(xì)線磁感線所示的磁場(chǎng)分布，每一點(diǎn)的切線代表了該點(diǎn)的磁感線強(qiáng)度方向。銅線上端與電池正極相接觸，形成了粗線所示的電流。電流從正極流出，通過(guò)銅線左右兩側(cè)分別流向負(fù)極。通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到安培力的影響，可運(yùn)用左手定則判斷：在圖示磁場(chǎng)方向下，銅線左側(cè)安培力垂直紙面指向紙里，銅線右側(cè)安培力垂直紙面指向之外。因此，銅線左右兩側(cè)受力方向相反，銅絲發(fā)生旋轉(zhuǎn)。銅線旋轉(zhuǎn)的方向是根據(jù)磁場(chǎng)的方向確定的，若將磁鐵的N極與S極對(duì)調(diào)，銅線旋轉(zhuǎn)方向?qū)l(fā)生改變。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及改進(jìn)

1.儀器和藥品

銅絲、砂紙、5號(hào)電池、能夠?qū)щ姷拇盆F（釹鐵硼等）、鉗子。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用鉗子剪斷銅絲后，用砂紙打磨銅絲使之光潔。將線圈圍著電池繞出一個(gè)環(huán)與負(fù)極接觸，接著再調(diào)整一下圓環(huán)大小。

（2）將兩端的銅線向上彎曲，在銅線略高于電池正極帽的地方再往下撇，使銅線兩端交于一點(diǎn)與正極接觸。最后，調(diào)整形狀，使正極與銅線末端接觸良好。

（3）用手輕輕撥動(dòng)放置好的線圈，使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

3.實(shí)驗(yàn)分析

將上圖所示的三個(gè)形狀分別編號(hào)為形狀1、2、3，分別計(jì)量三個(gè)不同形狀的銅線旋轉(zhuǎn)的時(shí)間，平行測(cè)量三次。

將計(jì)時(shí)控制在兩分鐘之內(nèi)，發(fā)現(xiàn)三種形狀在與電池和磁鐵良好接觸的情況下，均能穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。形狀3對(duì)空氣的阻力最小，旋轉(zhuǎn)速度最快；形狀1和形狀2雖然對(duì)空氣有一定的阻力，左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)平衡，旋轉(zhuǎn)較穩(wěn)定。

4.學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)

5.活動(dòng)結(jié)果分析

在“金鑰匙”比賽中，簡(jiǎn)單講解“小馬達(dá)制作”的實(shí)驗(yàn)用品和步驟之后，讓學(xué)生以6人為一個(gè)小組制作出作品，根據(jù)銅線在電池上穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間賦分。很多同學(xué)在講解過(guò)程中就很興奮，爭(zhēng)相說(shuō)出“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)原理。這說(shuō)明“小馬達(dá)”背后的科學(xué)知識(shí)學(xué)生是非常了解的。

接下來(lái)，有的學(xué)生根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)步驟畫(huà)出了實(shí)驗(yàn)裝置圖，有的則在腦海中形成大致的實(shí)驗(yàn)裝置。這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生將科學(xué)學(xué)習(xí)中實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用到了生產(chǎn)生活中，是工程知識(shí)在STEM教學(xué)中的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，筆者給每組一根相同長(zhǎng)度的銅線，有的小組把這一根長(zhǎng)的銅絲用于一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)銅絲無(wú)法在電池上旋轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)的初次失敗使得他們尋找原因，經(jīng)過(guò)討論，小組內(nèi)各成員都認(rèn)識(shí)到銅線過(guò)長(zhǎng)，造成的阻力過(guò)大，所以銅線不旋轉(zhuǎn)。

取了合適長(zhǎng)度的銅線彎折成一定的形狀，另一個(gè)小組發(fā)現(xiàn)銅絲仍然不能在電池上旋轉(zhuǎn)。小組成員仔細(xì)研究了教師提供在易拉寶上的圖片，發(fā)現(xiàn)提供的形狀1和形狀2有相似的特征：形狀的上端向下凹，形狀的下端都是一個(gè)圈。通過(guò)仔細(xì)觀察和思考，他們認(rèn)為通電的導(dǎo)線上磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，旋轉(zhuǎn)就越穩(wěn)定。小組成員修正了銅線的形狀，使得銅線的下端在磁鐵的周?chē)?。?dāng)銅線穩(wěn)定地在電池上旋轉(zhuǎn)時(shí)，他們都欣喜得為自己鼓起了掌，體驗(yàn)到了成功的喜悅。

在“簡(jiǎn)易小馬達(dá)”制作活動(dòng)中，筆者很高興地看到不少團(tuán)隊(duì)利用“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)”的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出電池-磁鐵-銅線的閉合回路，成功地完成了實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容?！昂?jiǎn)易小馬達(dá)”這一實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合了科學(xué)與工程，綜合培養(yǎng)了學(xué)生的素養(yǎng)。

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

雖然“簡(jiǎn)易小馬達(dá)”這一活動(dòng)有效發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)，但是從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的角度來(lái)看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單調(diào)，故通過(guò)參考更多資料，又對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

1.自制“動(dòng)力火車(chē)”

“軌道賽車(chē)”是很多學(xué)生童年喜愛(ài)的玩具。利用一定長(zhǎng)度的銅線、5號(hào)電池、2塊小磁鐵可以設(shè)計(jì)出相似的裝置。首先，將一段較長(zhǎng)的銅絲彎折成螺旋狀，形成“軌道”。接著，將磁鐵分別吸附在正負(fù)兩極，放入銅線圈。在銅線圈所形成的的磁場(chǎng)中，電池在銅線圈“軌道”內(nèi)向前移動(dòng)。利用這些生活化的資源，可以自制“動(dòng)力小火車(chē)”。

實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)中，電池-磁鐵-銅線形成了一個(gè)閉合回路，產(chǎn)生的電流通過(guò)銅線管，在磁鐵形成的磁場(chǎng)中受到了磁力作用。同時(shí)，電池兩端的磁鐵n極相對(duì)，分別產(chǎn)生引力和斥力，電磁動(dòng)力推動(dòng)小車(chē)向前運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：利用生活化的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生能夠更加深刻地了解磁懸浮列車(chē)的工作原理。2013年，SpaceX提出超級(jí)管道磁火車(chē)的想法，利用金屬管道和電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超高速行駛。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有效結(jié)合了科技前沿，能夠?qū)⒗碚撧D(zhuǎn)移為學(xué)生手中的實(shí)踐，從而培養(yǎng)學(xué)生的遷移與應(yīng)用能力；在制作過(guò)程中，電池、磁鐵與銅線要形成閉合回路，銅線又不能在電池上直接纏繞，這一過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能又轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能，學(xué)生在實(shí)踐和思考中豐富了能量轉(zhuǎn)化的形式，思考如何能使能量有效地轉(zhuǎn)化而不是以熱量的形式散發(fā)，對(duì)能量轉(zhuǎn)化效率有進(jìn)一步的思考，為高中進(jìn)一步學(xué)習(xí)電化學(xué)及豐富能量觀奠定基礎(chǔ)，提高科學(xué)核心素養(yǎng)。

將科學(xué)生活化與生活科學(xué)化有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。學(xué)生看到以電磁為動(dòng)力的小車(chē)在軌道中運(yùn)動(dòng)，感受到自己就是軌道公路的偉大開(kāi)發(fā)者，自信心和自豪感油然而生。

2.自制小風(fēng)扇

將一塊磁鐵吸附在電池負(fù)極，電池正極吸附一根帶磁鐵的鐵釘，調(diào)整上下兩塊磁鐵磁場(chǎng)方向相同。接著，將風(fēng)扇固定在下端的磁鐵上。最后，將一根銅絲固定在上下兩塊磁鐵上，可以觀察到風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)中，電池-磁鐵-銅線形成了一個(gè)閉合回路，產(chǎn)生的電流通過(guò)銅線管，在磁鐵形成的磁場(chǎng)中受到磁力作用。但是，由于銅線被固定，下端的磁鐵受到相對(duì)作用，帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)小組動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在做中學(xué)，動(dòng)手制作出風(fēng)扇，有效提高了動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力?！半姶棚L(fēng)扇”實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能和風(fēng)能。在能源緊缺的今天，開(kāi)發(fā)利用新能源已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)能量的利用和轉(zhuǎn)化有了進(jìn)一步的思考，對(duì)新能源的利用與效率有了更多的想法，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心，拉近學(xué)生與生活的距離，體悟“科學(xué)源于生活，并且服務(wù)于生活”的事實(shí)。

五、總結(jié)

基于STEM教育的理念，利用電池、銅線和磁鐵等生活中常見(jiàn)的資源，設(shè)計(jì)了“簡(jiǎn)易小馬達(dá)”、“動(dòng)力火車(chē)”、“自制小風(fēng)扇”的探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中提高遷移與應(yīng)用能力，發(fā)展創(chuàng)新意識(shí)與科學(xué)思維，全面提高綜合素養(yǎng)。

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