基于STEM學(xué)習(xí)的初中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃海

摘 要：本文通過對(duì)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，提高實(shí)驗(yàn)效果，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題能力，并借此探索開展 STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的途徑和方式。

關(guān)鍵詞：STEM教育 凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)

一、STEM教育概述

STEM教育包含四個(gè)學(xué)科：Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)），是有目的地整合各學(xué)科的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法，學(xué)生將從中發(fā)現(xiàn)并獲得能在學(xué)術(shù)和現(xiàn)實(shí)背景中可以運(yùn)用的概念、能力以及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)思維等，期望教師將學(xué)科核心理念與科學(xué)研究的內(nèi)容或工程相結(jié)合，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為學(xué)生的能力與素養(yǎng)。

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心，有意識(shí)地參與并整合多個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域和多種學(xué)習(xí)方法來研究某個(gè)問題或項(xiàng)目。常見的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)流程包括提供真實(shí)情境、提出刺激思維的課題、有可利用的資料以作出解決問題的假定、從活動(dòng)中驗(yàn)證、根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。

二、問題的提出

探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)是初中物理中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，很多同學(xué)做完這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的蠟燭非常不滿意，主要集中以下幾點(diǎn)：

1.燭焰易晃動(dòng)。當(dāng)蠟燭燭焰成實(shí)像在光屏上，將所成的像與燭焰進(jìn)行大小的對(duì)比時(shí)，由于發(fā)光的燭焰一直晃動(dòng)、大小不穩(wěn)定，不便于測(cè)量。據(jù)此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的話，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。

2.物距難定。蠟燭一容易傾斜， 燭焰中心與支架中心可能不在同一刻度線上，有可能造成物距讀數(shù)的不準(zhǔn)確;而且當(dāng)蠟燭固定后，很難使蠟燭發(fā)生某些動(dòng)態(tài)變化，如物體左右移動(dòng)、上下移動(dòng)。

3.共軸性會(huì)變化。蠟燭燃燒過程中會(huì)變短， 時(shí)間一長，燭焰中心、凸透鏡中心和光屏中心會(huì)不在同一高度上。

4.有安全隱患。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)點(diǎn)燃蠟燭要用到火柴， 存在較大的安全隱患。

5.有環(huán)境污染。教室里幾十支蠟燭同時(shí)燃燒，室內(nèi)空氣會(huì)被嚴(yán)重污染，影響學(xué)生身體健康。

三、設(shè)計(jì)思路

1.光源。選用白色、藍(lán)色和純綠色的10mm 超高亮發(fā)光二極管作光源。其正向電壓均為3V—3.6V。半值角為17～23°，外殼為圓柱形，LED的半球形頂端有聚光作用，大部分光從此處向前射出，具有很高的指向性，適合在光具座上成像。通過20mA下的發(fā)光強(qiáng)度分別為白色的是4200～8200 （mcd）、藍(lán)色的是2130～3000（mcd） 綠色的是12000～16000（mcd），亮度高。

2.電路結(jié)構(gòu)。采用的方案有兩個(gè)。第一個(gè)方案只用一個(gè)藍(lán)色超高亮發(fā)光二極管，串聯(lián)一個(gè)R限流電阻，不同的發(fā)光二極管還有不同的工作電流，一般為5～20mA（具體應(yīng)用請(qǐng)參考管子的實(shí)際情況來確定）。“管壓降”和“工作電流”這兩項(xiàng)為發(fā)光二極管最為重要的電參數(shù)。只有同時(shí)滿足這兩項(xiàng)電參數(shù)才可能使管子正常發(fā)光。否則管子要么不亮，要么只亮了一下就被燒毀。但是實(shí)際電路中并不存在恰巧合適的電環(huán)境，所以為發(fā)光二極管配上一個(gè)限流電阻的目的就是為其搭建一個(gè)合適的電環(huán)境，使其兩端的實(shí)際電壓和電流恰巧處在“管壓降”和“工作電流”的允許范圍內(nèi)。下面用一個(gè)例子介紹限流電阻的選用公式。 如果使用單個(gè)鋰電作電源，電壓為3.7V，發(fā)光二極管的正向飽和壓降為3V，工作電流定為10mA，則限流電阻R的值就等于電源電壓3.7V減去正向飽和壓降3V后再除以工作電流10mA，為70歐姆。

即：R=（電源電壓-管壓降）/工作電流

直插型的高亮管工作電流在5mA左右就可以了。工作電流太高的話會(huì)比較刺眼。所以在發(fā)光二極管的實(shí)際使用中除了要考慮公式以外也要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)限流電阻。我選用兩個(gè)1號(hào)普通堿性電池串聯(lián)提供3V電源，可以看成限流電阻為0，實(shí)測(cè)工作電流為3.2 mA，長時(shí)間使用工作正常，并沒有燒壞，這樣可使電路簡(jiǎn)潔。

第二個(gè)方案采用的藍(lán)色、白色、綠色三種高亮發(fā)光二極管并聯(lián)，這三種顏色的電壓相同。要注意的是不同顏色的發(fā)光二極管也有不同的管壓降，工作電壓不同的發(fā)光二極管不能直接并聯(lián)使用。

3. 采用普通電池即可。1號(hào)電池也可以充當(dāng)支撐作用，省去座。

四、學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)

五、學(xué)生實(shí)驗(yàn)制作過程

在實(shí)驗(yàn)制作之前，安排學(xué)生分小組學(xué)習(xí)發(fā)光二極管和電路的相關(guān)知識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生通過討論，選用不同的方案進(jìn)行制作，并進(jìn)行

評(píng)價(jià)。

1.單個(gè)二極管方案。用電烙鐵把一個(gè)一號(hào)電池、開關(guān)、發(fā)光二極管串聯(lián)起來，1號(hào)電池的正負(fù)極先用砂紙輕輕打磨一下，然后快速焊接上導(dǎo)線，再用熱熔膠固定好元件、導(dǎo)線和開關(guān)。

2.三個(gè)二極管方案

把白色、藍(lán)色、綠色三個(gè)超高亮發(fā)光二極管并聯(lián)，用電烙鐵焊接好，把電池、開關(guān)、串聯(lián)起來，再用熱熔膠固定好元件、導(dǎo)線和開關(guān)。

六、實(shí)驗(yàn)展示和評(píng)價(jià)

學(xué)生使用制作好的LED光源，進(jìn)行凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.單個(gè)二極管方案。分別進(jìn)行立放和側(cè)放，能否清晰呈現(xiàn)倒立放大或者倒立縮小的實(shí)像。

2.三個(gè)二極管方案。分別進(jìn)行立放和側(cè)放，是否觀察到品字形的實(shí)像，三種顏色的圓形實(shí)像，調(diào)整物距和像距，是否呈現(xiàn)倒立放大或倒立縮小。

為了便于教師對(duì)課程進(jìn)行評(píng)價(jià)，教師可以預(yù)制評(píng)價(jià)表，這種形成性的評(píng)價(jià)方式能夠幫助教師對(duì)STEM學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)細(xì)則還可以和學(xué)生一起制定，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和興趣。

七、結(jié)語

本活動(dòng)通過學(xué)生實(shí)際遇到的真實(shí)問題，培養(yǎng)學(xué)生工程思維，并綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決問題，提升學(xué)生STEM素養(yǎng)。STEM課程的效果取決于教師的知識(shí)儲(chǔ)備和學(xué)科整合、設(shè)計(jì)能力，同時(shí)還需要不斷啟發(fā)學(xué)生，使之具備開放的思路、溝通合作能力以及較強(qiáng)的動(dòng)手能力。