設計并制作“星星點燈”

我帶來的課題是一個來自生活的項目。我先給大家播放一段小視頻（播放視頻），視頻中調整燈的亮暗的需求來源于一個生活的場景。我們以這樣一個需求作為我們的研究方向，即制作一個夜晚自動點亮、晚上自動熄滅的神奇小燈。我們還給這個課題起了一個漂亮的名字——星星點燈。

課題確定以后，如何實現我們的方案呢？在這個過程當中，學生又會用到哪些知識和技能呢？

為了使探究活動能夠順利進行，我們設計了一個小環節，即通過制作一個“簡易的調光燈”，讓學生了解在其中涉及的電子控制技術，這樣間接地學習了“一個簡易燈的電路圖”的知識。

學生們首先遇到的一個非常重要的元器件就是三極管，那么三極管是什么？它到底有什么作用？我們通過一個小的教學視頻來展示（如圖1）。

學生們通過小視頻了解到，三極管的三個極中有一個極是控制極，它微小的變化可以控制很大的電流通過。接下來，我帶領學生回過頭去學習調光電路的電路圖，分析“如果把這個電路的電源開關合上之后，這盞燈能不能瞬間點亮”。

學生根據剛才看到的視頻，知道三極管有一定的控制作用，要想讓這盞燈點亮，則必須控制B極。通過它的電壓變化，使得在它和C之間有一個較大的電流通過，因此在這個通路上的發光二極管就可以被點亮。

那么，我們控制的究竟是什么呢？通過調整可變電路，我們實際上是取得了一個Rp下面的增壓，通過這個增壓來獲取整個電路的通與斷，或者它電流的大與小。在這里，有一個最關鍵的數據就是0.6伏，因為0.6伏是門檻電壓。

如何讓小學階段的學生理解“0.6伏是門檻電壓”呢？我們一般通過儀表測量，讓學生了解到這樣一個數據，中學階段則可以讓學生通過計算來得到這個數值。

有學生可能會問：“我用普通開關就可以控制電路，為什么要加入一個三極管，把事情變復雜呢？”我告訴他，因為三極管最大的特點就是，可以用很小的信號來控制很大的電流。在未來的自動控制當中，像冰箱里的溫控電路，熱水器的溫控電路，走廊中的聲控電路以及光控電路等，就是用這些微小的信號來實現電路控制的。那么，三極管的控制能力就為我們實現這些技術提供了保證。

我給學生播放上一屆孩子做的一個小視頻（如圖2）。在視頻中，通過調整可變電阻，燈光由很明亮逐漸減弱，最后關閉。學生們通過觀看視頻，感受到三極管的控制原理。

圖2 三極管的控制原理視頻截圖

在了解了這些知識之后，學生開始自己動手制作。在制作的過程中，我要求他們思考：電阻的變化會使得發光二極管發生什么樣的變化？需要調整哪些變量，才能達到這一目的？

當學生們把這個電路做完之后，再回到問題的初始：如何讓燈在黑天自動點亮、白天自動熄滅？學生發現，要把白天和黑夜作為控制電路的一個條件。

那么，怎樣實現這樣的控制？此時我引入一個新知識——光傳感器，并重點向學生介紹了光敏電阻的原理：隨著光照的明暗不同，光敏電阻的電阻大小會發生變化。光照強時，電阻很小；光照弱甚至無光時，電阻就很大。因此將它作為傳感器加入電路當中，就可以起到自動控制的作用。

學生通過制作電路，對三極管的控制原理有了深刻的理解，再加上對光傳感器原理的了解，學生就具有了一定的知識準備，可以根據我所提供的知識，或者上網查找更多的資料，來自己設計一個夜晚自動點亮、白天自動熄滅的小燈。

在完成了這些前期的小實驗之后，我就讓學生分組開展頭腦風暴，討論自己的設計方案。學生兩三個人一個小組，討論完后要繪制出一個電路圖，表明自己要做一個什么樣的電路以及這個電路可以達到什么樣的效果。

當制作完電路圖以后，學生要在全班發表和討論。老師也加入到討論中來。學生在討論過程中對自己的方案進行修改，然后開始實際制作這個電路。我為學生準備了制作材料：5V電池（多功能電子實驗盒）；10kΩ電阻、100kΩ、200Ω電阻；光敏電阻（光控開關）；三極管（9013）；發光二極管（LED）；面包板和導線。

在準備材料的過程當中，我會在電路安全范圍內為學生多準備出一些導線。這樣可以讓學生在調試過程中充分體會到，不同的電路會得到不同的升壓，因此產生的效果，如靈敏度、范圍等會有變化。學生可以根據這些變化做一個測量表，將每次換電阻的情況進行記錄，哪些調整得好，哪些比較寬泛等做一個對比，形成一個最終的方案，并完成制作。

當學生完成電路的制作之后，我再啟發他們對自己的作品進行外觀設計。這樣，學生們就可以利用準備好的廢棄的紙盒、吸管、折紙等，為自己的電路做一個美麗的外觀，并在全班展示。

圖3是學生們展示的作品成果。有的學生用水杯和吸管，做一個非常簡潔、效果又很好的吸管燈，有的學生做成了牛頭燈，有的做成了夜晚自動點亮的圣誕小屋作品。學生們笑容滿面的神態告訴我，他們對這個課非常喜愛，通過自己親手制作，也加深了對電路的理解和外觀的設計。

這就是整個教學過程。跟以往教學不同的是，過去教師可能會給大家講解完知識，再帶著大家做一個電路就算結束了。現在我應用STEM教學理念，用任務驅動開始設立一個主題，這個主題一定是來自于生活的，然后學生研究問題、設計方案、修改方案，最后呈現。在這個過程中，學生學習到了三極管控制原理、光傳感器等科學知識，然后運用電子控制技術來完成作品，實現他們的目標。其中，還有學生對數據的測量采集，根據數據精確地制作出完美的作品。

專家點評

董宏建（北京理工大學遠程教育學院教育技術研究所副教授）：“星星點燈”教學比較好地融入了STEM教育所倡導的項目教學方式。項目的來源是生活當中遇到的問題，并且教師將“如何解決這個問題”貫穿到課堂的始末。這個案例也從三個方面體現了STEM的特點：一是課程設計實現了STEM課程的有效融合，二是將抽象的書本知識與現實生活的情景相結合，三是在整節課的設計過程當中讓學生去動手和實踐操作，這充分調動了學生探究整體解決方案的積極性，提高了學生的實踐能力。希望更多的中國老師將來源于生活的問題與學科融合起來開展STEM教學。當然，這個案例也有我認為可以進一步交流之處。在成皓老師的整個介紹里，科學知識所占的比重比較大，數學知識的運用體現得少了點，如果能夠把這個項目涉及的四個學科運用得更融合，會更加體現STEM教育的特點。