基于STEM理念的自組裝探究電功轉化實驗儀

王辰晨,楊曉梅，葉峻銘

(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

2016年，教育部在《教育信息化“十三五”規劃》中首次明確指出，要積極探索STEM教育等新的教育模式的應用，著力提升學生能力，促進學生的全面發展[1]. STEM教育理念旨在學科交互融合的基礎上，從科學、技術、工程以及數學4個方面提升學生解決實際問題的綜合能力、創新精神與實踐能力.

自組裝實驗儀有別于普通物理教學實驗儀的優勢是它能充分融合不同維度的教學目標，從各方面將教學效果真正落到實處. 因此，本文從介紹自組裝探究電功轉化實驗儀的原理及作用起，并闡述STEM教育理念與之相結合的具體體現.

1 自組裝探究電功轉化演示儀介紹

自組裝探究電功轉化演示儀是由一道中考復習題演化過來的，如圖1所示.

圖1 中考復習題

在進行習題講解的過程中，發現學生對于“有用功”和“總功”的概念理解不清，并不能在不同的條件下正確地對題目進行分析. 所以筆者將“有用功”以及“總功”的概念用可視化的教具呈現在學生的眼前. 但單純地用手拉繩子，很難實現恒力這一條件. 因此，選用電動機勻速驅動繩子從而獲得恒力，將繞過定滑輪的物塊提升一定的高度，即將電能轉化為機械能的過程作為實驗儀研究主體.

1.1 制作過程

自線裝探究電功轉化實驗儀實物圖如圖2所示. 選用工作電壓為3～12 V，負載電流為70～250 mA的電動機，根據電動機的規格，選擇4節1.5 V帶有開關的電池盒，50 Ω，1.5 A的滑動變

圖2 自組裝探究電功轉化實驗儀實物圖

阻器，量程為5 V的直流電壓表，量程為200 mA的直流電流表，50 cm的刻度尺，定滑輪. 為減小記錄時間的誤差，以籃球場上專用的數字計時器電路板作為實驗儀中的計時工具. 由于電動機的轉動方向應該能通過調節而改變，故在電路中加了2個單刀雙擲開關作為換向器，并連接在電動機兩端，這樣就可以在不改變其他元件電流方向的同時只改變電動機電流方向. 為了測量方便，提升的物塊選擇有質量標識的鉤碼.

1)在1塊平整木板的底部固定4塊小木塊作為支撐，并在木板的合適位置鉆孔，將實驗元件按照順序擺放有序，并用導線連接設計的電路.

2)用瓦楞紙、白紙以及熱熔膠做出能夠固定刻度尺和定滑輪的“柱子”，并將其固定在電動機旁邊合適的位置.

3)在電動機能夠轉動的軸上固定細繩，將細繩的另外一端繞過定滑輪，垂在刻度尺的前面，便于通過刻度尺讀出物塊的位置.

1.2 實驗原理

圖3 自組裝探究電功轉化實驗儀原理圖

2 STEM理念在實驗儀中的體現

為了體現STEM教育的4個維度，圍繞自組裝探究電功轉化實驗儀，站在學生的角度，分別制訂了各個領域具體且有針對性的教學目標[2].

首先是S(科學). 義務教育物理課程標準對此部分內容的要求是：通過實驗，認識能量可以從一個物體轉化到另一個物體，不同形式的能量可以相互轉化；結合實例，認識功的概念，知道做功的過程就是能量轉化或轉移的過程；從能量轉化的角度認識電源和用電器的作用[3]. 基于課標的要求，在進行自組裝實驗儀的設計中，就以驅動電動機的電路作為主體，以帶有刻度尺和定滑輪的“柱子”作為輔助，以這種可視的形式將電能轉化為機械能的過程呈現在學生面前；實驗儀在運行過程中，可以從“總功”與“有用功”的概念入手，讓學生知道在此過程中，將物塊提升是實驗的最終目的，那么在此過程中，“有價值”的功就應該為物塊克服自身重力所做的功. 電源通過電路將電流輸送給電動機，以此驅動電動機使物塊被提升，所以電源給電動機的輸入電功就是整個過程中的“總功”. 通過這種形式讓學生更好地理解此部分內容，并能夠熟練運用知識去解決實際的物理問題，提高學生的學習興趣.

其次是T(技術). 義務教育物理課程是一門注重實驗的自然科學基礎課程. 在此實驗儀的操作中，理解電路原理圖，能夠獨立地連接電路以及理解電路中每一個元件的接法. 當接通電路，物塊被提升一定高度后，細繩就會繞在電動機的轉軸上，做下一次實驗時，還要手動解開細繩，這樣做費時費力. 所以想要通過單刀雙擲開關充當換向器，通過改變電流的方向改變電動機的轉動方向，并且單刀雙擲開關只能連接在電動機兩側，這樣才能確保改變開關方向后，不改變除電動機以外的其他元件的電流方向. 只有真正理解了實驗儀的構造及原理，才能充分的利用實驗儀進行科學的探究，從而習得相關的科學知識. 讓學生在動手操作的過程中，培養學生發現問題并通過實踐解決問題的科學態度，養成嚴謹的科學思維.

然后是E(工程). 義務教育物理課程應注重與生產、生活實際及時代發展的聯系. 起重機的實驗原理為通過電力驅動，將動力的能量輸入，轉化為機械能，再傳遞給取物裝置，這和此實驗儀的原理有異曲同工之妙. 從實驗儀的原理入手，再對起重機的原理加以解釋，讓學生體會物理知識在常見的工程儀器中的應用，培養學生學習物理的興趣. 告訴學生知識能通過系統的學習最終應用于生活、工作及實踐，培養學生的社會責任感.

最后是M(數學). 實驗儀能夠通過對實驗元件的讀數來記錄數據，通過計算來定量分析探究電能轉化為機械能的過程，并計算出電動機的機械效率. 義務教育物理課程標準對機械效率的要求是：知道機械效率，了解提高機械效率的途徑和意義[3]. 而在定量探究方面，設計了讓學生能夠清晰地理解所測量的物理量與計算公式之間的關系的表格，強調實驗數據需要多測幾次求平均值，這樣能夠減小實驗誤差；還要讓學生知道，在進行相關性分析時，至少要有5組數據作為支撐，才能夠有說服力.

通過實驗儀進行實驗數據的采集，并通過計算與作圖，讓學生自己總結物理規律，不僅讓學生體驗了科學探究的過程，還能夠培養學生嚴謹的科學態度，同樣也加深了學生對于此部分內容的理解.

3 結束語

將STEM理念融入自組裝探究電功轉化實驗儀，從科學、技術、工程及數學4個方面培養學生的創新思維和綜合能力，教師從有別于三維目標及科學素養以外的視角去進行課程及實驗的設計，更加注重學生的主體性，注重學生的需求，從多樣化的維度來設置目標，能讓學生在學習的過程中增加學習興趣.