STEAM理念下高中物理與技術學科有效融合的實踐研究

容蘭

摘要：STEAM教育是一種多學科相融合的綜合教學模式，力求培養綜合性、實踐性、創新性人才。目前，國內外都在大力倡導STEAM教育。本文立足物理和技術學科，以教學案例“開發新能源小車”為例，探索如何在高中階段實現跨學科融合教學。

關鍵詞：STEAM理念 能量轉化 激光雕刻

一、問題與聚焦

當今社會，汽車的使用率逐漸增加，汽油消耗量日益增長，能源不足和環境污染問題也越來越嚴重，能源危機已成為全球共同關注的話題，越來越多的電動汽車、共享單車也應運而生，高中生有親身體驗新能源汽車或單車的經歷，因此，利用學生對新能源已有的認知，通過調查分析，將問題聚焦至模擬新能源汽車開發上，通過實驗探究讓學生了解常見能量收集的方式，通過激光雕刻制作出不同動力裝置的能量小車，并根據測試數據提出改進方案同時進行項目的終極匯報和展示，通過新能源小車的項目開發和實施，讓學生在做中學，學中思，思中創。

二、探究與制作

（一）實驗探究：探究不同形式能量轉換電能的影響因素

實驗目的：探究太陽能、風能、手搖發電機發電的發電原理與影響因素

實驗猜想：太陽能發電的影響因素：光照強度，光照角度，太陽能板轉換效率;風力發電的影響因素：風速，風量，磁感應強度;手搖發電機發電的影響因素：轉動速度，磁感應強度

實驗原理：太陽能發電是利用太陽能電池收到光照時，電池內電荷分布狀態發生變化而產生電壓和電流，將太陽能轉換為電能。風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，進而帶動發電機線圈轉動，利用電磁感應現象產生電流，將風能轉換為電能。手搖發電機是通過手搖的方式使發電機內線圈轉動切割磁感線，利用電磁感應現象產生感應電流，將機械能轉換為電能。

實驗過程：

（1）將太陽能板放到陽光下，將萬用表調到電壓擋，用鱷魚夾線連接萬用表和太陽能電池板，觀察并記錄電壓表讀數。分別調整光照強度和光照角度，記錄電壓值。

（2）將電動機分別與風扇和電源相連，將交流發電機和另一個風扇和LED燈相連，接通電源使風扇轉動，產生風力，從而使另一個風扇轉動起來。

學生進行風力發電實驗測試

（3）將手搖發電機與多用電表相連，多用電表調到電壓擋，轉動發電機手柄，觀察燈泡亮度和電壓表識數，改變轉速，觀察并記錄電壓表示數。

實驗數據：學生分組分別進行實驗探究，觀察記錄實驗數據

實驗結論：太陽能板轉化電能與光照強度，光照角度等有關;風速和方向都會對風力發電產生影響;線圈轉動的快慢會影響手搖發電機發電。

實驗優化：通過控制變量法研究更多因素對電能轉化的影響，采用更加精密的實驗儀器進行定量研究分析。

（二）小車制作：制作不同能源小車

任務一：設計方案制定

學生分為四組，每組制定一個設計方案，分別完成太陽能小車、風力小車、電動小車和彈力小車的具體開發。

任務二：繪制小車模型草圖

學生根據自己的設計方案，畫出小車結構，計算小車各部件尺寸，并畫出草圖。

任務三：用激光雕刻機雕刻小車

學生根據已畫好的小車結構草圖在軟件上精確繪制出組件小車所需要的零件圖，并用激光雕刻機雕刻小車模型。

任務四：制作不同能源的小車

學生組裝小車，并為小車加入不同的動力裝置，分析小車的能量轉化方式。

四個小組分別完成小車模型

三、驗證與優化

學生完成能源小車組裝，并對小車的運行情況進行測試。通過測試后的數據，分析總結設計中的不足并進行改進。

學生對小車進行測試

四、展示與評價

（一）成果匯報

每一個小組代表進行項目成果匯報。從項目名稱，項目方案設計，項目實施，項目成果和改進，項目延伸等幾個方面向大家分享自己的項目。

（二）項目終極性評價

教師對整個項目進行總結，并對每一個學生項目進行評價，填寫評價單。

五、拓展與應用

教師引導學生了解中國各種新能源發展現狀，結合現代新能源技術，進一步對自己設計的能源小車動力系統進行改進，比如對彈力小車的齒輪模塊利用3D技術進行打印，增強大小齒輪之間的咬合度，提升小車的運動速度，也可以對太陽能小車添加自動感光調節裝置及自動控制系統，并與電動車功能相結合，實現電能和太陽能的實時切換，增強小車的續航能力。

學生通過這個項目的學習，學會發現生活中的問題，進而提出解決問題的方案，并通過項目開發的方式來解決問題，同時教師引導學生將工程思維及項目研究的方法應用到以后的項目學習中。

參考文獻：

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