STEM視角下的綜合實踐活動教學實踐研究
——以“三極管檢測儀的設計與制作”為例

浙江省桐鄉市鳳鳴高級中學(314500) 許建明

1 STEM教育簡介

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四門學科的英文縮寫,是基于問題學習、項目學習以及工程設計等方式將這四門學科融合的教育。它源自美國,強調將原本分散的四門學科自然組合形成整體,實現跨學科教學,以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能,并運用于解決現實中的問題。

對比中美兩國STEM教育發展歷程可知,如圖1所示,中國STEM教育起步較晚但發展迅速,由于STEM教育在國外仍處于發展階段,全盤引進我國易引起“水土不服”。有學者表示我國一些相對落后的地區遠沒達到1996年《美國國家科學教育標準》的水平,現在大規模引進將欲速則不達。因此,本文認為“珠-線”(beadsandthreads)模型更符合我國實際國情,以項目為珠,線繩代表課程中的核心概念和基本技能,數學、科學、技術三條線代表在工程設計中使用的學科領域。

圖1 美國(左圖)和中國(右圖)STEM教育主要發展歷程

2 STEM與綜合實踐活動的結合

綜合實踐活動是在教師引導下,學生自主進行的綜合性學習活動,是基于學生經驗,密切聯系學生自身生活和社會實際,體現對知識的綜合應用的實踐性課程。其教學理念和STEM教育模式有很多相似之處,以STEM視角去開展綜合實踐活動,既可以發掘新的活動組織模式,又對學科教學有很好的參考意義。

3 STEM教育視角下綜合實踐活動的設計

在STEM教育實踐中常見的教學手段有基于工程設計、問題解決以及項目探究等,在綜合實踐活動中經常選用基于工程設計的方式。本文以三極管檢測儀的設計制作為例,說明STEM如何整合到綜合實踐活動中。

3.1 活動目標

綜合實踐活動具有綜合性、實踐性、差異性和生成性等特點,注重學生在實踐中發現并激發潛能,使綜合能力得到提升。本次活動屬于科技制作類型,因此確定了如下目標：

(1)學會如何查找和篩選信息,培養簡單的調查研究能力；

(2)從合理人機關系出發,初步學會如何確定產品的功能；

(3)在電路安裝與調試過程中,鍛煉學生的動手能力和問題解決的能力。

3.2 操作方式

科技制作類活動主要是從功能需求出發,利用簡單的科學原理和技術將其變為現實。而基于工程設計正是一條有效的途徑。參考美國生物學課程研究所(BSCS)開發出的5-E教學模式,即參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、詳細說明 (Elaboration)、評價(Evaluation)5個學習階段,以學生為中心,在產品的設計與制作過程中學習知識并解決實際問題,通過小組合作提高學生的協作能力與團隊合作精神。

3.3 5-E教學模式

參與階段：該階段主要是激發學生參與活動的興趣和好奇心,實現與已有學習基礎的聯系,便于教學活動的開展。

探究階段：此過程給學生一定的時間去設計分析形成方案,教師提供材料進行引導,學生在制作過程中探索建立起科學、技術、工程以及數學等學科間的聯系,即STEM提倡的做中學過程。

解釋階段：該階段為學生提供交流、反思、改進的機會,引導學生對探索的結論進行分析和交流。

詳細說明階段：該階段學生鞏固和擴展剛獲取的知識或技能,并通過修改方案或實驗進一步探究。

評價階段：評價貫穿整個教學過程,通過評估標準,學生和教師一起對學習過程進行評價。

這五個階段是逐漸深入、教師和學生都有明確分工的過程,教師主要是引導學生對具體內容提出有待探索的問題,進而開展研究。學生通過分析活動經驗,促進其所學知識的進一步深度探索,實現概念或技能在新環境和新應用中轉化為更復雜的問題和知識的遷移。

4 “三極管檢測儀的設計與制作”活動案例

4.1 參與階段

活動重點：教師引導學生回顧生活中見過的各種檢測儀以及多用電表檢測三極管的原理,明確活動目標。

主要教學活動：教師讓學生列舉生活中常見的檢測儀,特別是它們如何實現信息交互。學生回答：溫度計、測電筆、煙霧報警器等,它們通過聲音、光線、震動等形式快速方便的傳遞檢測結果。

學生回顧多用電表檢測三極管的過程：用多用電表分別檢測三極管兩個PN結正向和反向的電阻,由此推斷出三極管的好壞(CE間斷開或擊穿),或者需要判斷三極管類型時也要用到類似的方法。

考慮到這樣操作比較繁瑣,于是萌生出一個想法：能不能設計一個能同時檢測晶體三極管好壞及其類型的儀器呢?

引入活動主題：晶體三極管好壞及類型檢測儀的設計與制作。

4.2 探究階段

為了提高活動效率,讓電路修改測試便捷,前期要學生在Multisim仿真軟件上設計并調試好電路原理圖,后期焊接電路就非常方便。教師展示三極管好壞及類型檢測儀實物,并提示制作要點,學生分組合作設計并調試電路圖。

教師展示三極管好壞及類型檢測儀實物,如圖2所示。教師提示電路設計要點：利用555芯片、R、C構成多諧振蕩器作為輸入部分；兩個不同顏色LED反向并聯,利用三極管開關特性,使兩個LED發出不同的光信號以此傳遞檢測結果。學生在教師指導下以小組為單位在Multisim環境中設計并調試,看是否達到檢測三極管的效果。

圖2 三極管好壞及類型檢測儀

4.3 解釋階段

通過展示各組的模擬電路圖是否能達到預期效果,引導學生討論LED閃爍周期的影響因素,以及如何使燈光信號更明確。

每個小組演示所設計電路 (見圖3)的模擬效果。接入不同類型的好、壞三極管時,有的紅、綠LED閃爍情況不同；有的閃爍特別快或是特別慢；還有的兩燈都一直閃爍無法達到檢測效果。教師引導學生觀察各個電路圖的不同之處,從電路設計、元件參數、燈光信號定義等方面進行討論分析,特別是那些不成功的電路圖,尋找原因。學生通過對比討論發現：C1和R1參數不同時,LED閃爍快慢有的相同有的不同；R3和R4值不同,或是R3、R5并聯電容器后LED閃爍效果更好 (如：紅色LED閃爍時綠色LED一直不亮),這是為什么呢?

圖3 學生設計的三極管檢測儀電路圖

教師解釋電路工作原理。輸入部分：結合555芯片功能可知,閉合開關S,電容C1原來不帶電A點(2、6腳)為低電平,2、6腳為低電平時3腳輸出高電平,C1通過R1開始充電,在A點還未升到高電平時,3腳保持輸出高電平；當A點升為高電平時,3腳輸出低電平,C1通過R1放電A點電平下降,在A點還未下降至低電平過程中,3腳保持輸出低電平；當A點下降為低電平時,回到起始狀態。依次循環,使B點(3腳)輸出方波信號(電容器充放電)。

控制處理及輸出部分：B點(3腳)為輸出的方波信號,e、b、c為待測三極管Vx的三個電極接入端。由于待測三極管有三種情況：好的NPN型、好的PNP型、壞三極管(擊穿或內部斷路)。以下分類簡述電路原理。

(1)好的PNP型：B點為高電平時7腳截止,V1導通C點為低電平,Vx導通D點為高電平,則LED1亮、LED2不亮；B點為低電平時7腳導通,V1截止C點為高電平,Vx截止D點為高電平,則LED1、LED2都不亮；這樣B點為方波信號時,LED1閃爍,LED2一直不亮。波形圖如圖4所示。

圖4 Vx為PNP型時C、D間電壓波形圖

(2)好的NPN型：B點為高電平時7腳截止,V1導通C點為低電平,Vx截止D點為低電平,則LED1、LED2都不亮；B點為低電平時7腳導通,V1截止C點為高電平,Vx導通D點為低電平,則LED1不亮、LED2亮；這樣B點為方波信號時,LED1一直不亮,LED2閃爍。波形圖如圖5所示。

圖5 Vx為NPN型時C、D間電壓波形圖

(3)壞三極管(擊穿或內部斷路)：同理可知,當三極管Vx內部短路或斷路時,LED1、LED2要么交替閃爍,要么都不亮。

為什么C1和R1參數不同時,LED閃爍快慢有的相同,有的不同呢?

教師解釋：LED閃爍周期與C1的充放電時間有關,根據RC電路充放電時間公式：Vc(t)＝Vc(∞)＋[Vc(0)-Vc(∞)]e-t/τ(Vc(t)、Vc(∞)、Vc(0)分別為電容器任意時刻電壓、充滿時電壓、初始時電壓,τ＝RC為時間常數可知時間與RC乘積有關。

為什么R3、R5并聯電容器后LED閃爍效果更好呢?

教師解釋：在基極輸入回路中增加一個電容(增速電容器),3腳為高電平時,增速電容充電給三極管一個短時的大電流縮短到達飽和區的時間；3腳為低電平時,相當于把信號輸入接地,電容放電會給三極管一個短時的反壓提高截止效果,進而提高開關速率。由于三極管開關特性更好,就能使一個LED閃爍時另一個可靠截止。此問題較難,可作為活動延伸部分。

4.4 詳細說明階段

小組定量討論分析LED閃爍周期與C1、R1值的關系。

由于活動的對象是高中二年級學生,對電容器充放電原理、指數函數等知識有一定的了解,為此教師可在學生討論、計算后進行解釋說明。

教師解釋：由555芯片功能表可知,當2、6腳升至2Vcc/3時,3腳輸出低電平；當2、6腳將至Vcc/3時,3腳輸出高電平。

代入數據可得周期為T＝2R1C1ln2,占空比q為50%,說明閃爍周期與R1、C1的乘積成正比,且一個閃爍周期中亮和滅是時間相同。

隨后,教師進一步提問,引導學生思考：如何調試電路?如何設計檢測儀面板?該檢測儀能否檢測二極管的好壞等。通過回答這些問題,既可以鞏固學到的知識,對后期檢測儀電路焊接、面板制作也有很大的幫助。本活動所用的主要知識見表1,活動安排見表2。

表1 三極管檢測儀設計與制作涉及的主要知識

表2 三極管檢測儀設計與制作時間安排表

4.5 評價階段

本活動采用多角度、全過程、自評互評一體的評價方式,在活動前就讓學生熟悉并明確評價標準見表3,可以采用學生自評、互評、教師評價的方式,在活動過程中也能不斷引導學生完成任務目標。

表3 三極管好壞檢測儀設計與制作活動師生評價表

5 結束語

STEM教育立足于現實生活中的問題,以工程設計為主導,引導學生提出自己的解決思路,它代表著一種現代教育哲學,更加注重學習過程,在不斷試錯中發現、分析和解決問題。同時它還能培養學生各方面技能和認知能力,在科學、技術、工程、數學之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系,在各學科交互運用過程中,實現深層次的學習,提升綜合能力。

將STEM教育模式滲透到綜合實踐活動過程中,既可以引導學生形成基本的科學探究和設計的意識,提高對涉及領域內容的興趣和關注度,同時也為綜合實踐活動教學注入了新活力。