創新“船”奇 夢想啟航*——基于STEAM理念的無線電波發射和接收教學

南亞亞 李廣富 楊斯杰 呂雨雨 高永偉

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

STEAM教育提出將科學(Science)、技術(Tech-nology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)及藝術(Arts)融為一體[1].隨著改革開放步伐不斷加快，中國科技迅速發展，在航天航海等領域做出了巨大突破和進展，面對未來社會，要在科技領域做出更大的成就，就要從青少年一代開始培養.在中小學教育工作中就應當關注科技教育，使他們掌握新的技能、知識和專長，以應對未來社會的復雜挑戰.

基于這樣的時代背景，提出將STEAM教育融入中學物理教學中，挖掘物理中所蘊含的STEAM元素，培養學生的STEAM素養，為未來社會科技發展所需要的人才做準備.

電磁波是物理知識體系中非常重要的一部分內容，在生產生活中的應用無處不在，手機通訊、衛星導航、遙感遙測、目標定位、家電電器、醫療設施、廣播電視及工業等各個領域均有廣泛應用.以制作“無線遙控船?！弊鳛轫椖浚瑵B透電磁波科學理論，以技術和數學為工具，完成工程實踐，并體現對稱美、守恒美和物質與場的結合美.在此基礎上，進一步融入思政教育，培養學生的愛國情懷，并樹立遠大的人生理想.

1 教學分析

1.1 設計理念

美國教育學家Sternberg提出“思維三角”智力發展理論[2]，即分析性思考、創造性思考和實踐性思考.分析性思考要求發現問題，分析問題，比較和對比思考，并對概念和信息做出評價；創造性思考鼓勵發現、創新或者設計問題，要求拓展思維——超越已有的東西，創造新的東西；實踐性思考幫助學生如何將所學的知識運用在實際生活中.人類從出生那一刻起，就對這個世界充滿好奇，會主動發現問題，從而探索并認識世界.所以在教育過程中我們要不斷地創設情境、提供符合學生認知規律的學習資源、啟發引導學生釋放出潛在的好奇心，產生對事物的學習興趣，激發他們主動探索的熱情和創造力，如果對一件事物感興趣，則會主動地去發現問題、思考問題并最終解決問題，這樣才能體現STEAM 教學真正的意義，而非單純的模仿搭建模型，或者學習難懂的高科技機器人.在對新事物的探究創新過程中，難免會遇到困難，但我們可以以團隊為導向，在鉆研新事物或創新改進的過程中，發揮團隊力量，凝練團隊智慧，善于與同伴交流意見，交換思想，再難的問題也會克服解決，這也展現了中華民族五千年團結精神的優良傳統美德.

1.2 教材分析

本節課選自2019版人教版高中物理選擇性必修第二冊第四章第3節“無線電波的發射和接收”，是前兩節“電磁振蕩”和“電磁場與電磁波”基礎知識后的深入學習，介紹了無線電波的發射和接收原理及實際應用[3～6].基于相關物理科學知識，設計一堂以無線電波發射和接收為核心的創新實驗課，借助所學知識，并以提供的材料為前提，以小組為單位，創造屬于自己的科技制作.這個過程不是教師建模，學生按部就班地去模仿，而是在他們現有的知識基礎上，結合團隊互助協作，自己動手動腦去開發創新.

1.3 學情分析

高二的學生不僅學習了選擇性必修第二冊第四章“電磁振蕩”和“電磁場與電磁波”相關物理知識，而且也學習了必修第三冊第十三章“電磁感應及電磁波起步”相關內容，同時，還學習了力學和電磁學其他相關科學知識.已經具備一定的科學素養和邏輯推理能力，在解決問題時，只是需要思考如何將所學科學基礎知識通過數學推理和技術開發運用到工程實踐中，并體現其中蘊含的藝術元素，這就要求他們合作交流，共同動手去實現它.

1.4 教學目標

本節課的STEAM教學目標如表1所示.

表1 STEAM教學目標

物理觀念(科學)：理解力學、電磁學知識；了解電磁波的應用及帶來的影響；知道電磁波的發射、傳播和接收原理.

科學思維(數學)：能基于科學知識建立物理模型，能利用數學知識進行科學推理和論證，對建立的船模提出質疑和改進，培養學生思考和解決問題的能力，及敢于質疑和勇于創新的意識.

科學探究(技術與工程)：通過學習電磁波理論，設計船模制造方案，體驗科學探究過程，對結果進行分析和評估.培養學生的動腦動手、團隊協作及解決實際問題的能力.

科學態度與責任(藝術)：通過船模制作認識科學本質，滲透科學·技術·社會·環境理念，踐行“嚴謹求實、團結協作、拼搏奉獻、勇攀高峰”的中國載人深潛精神，傳承偉大的中國智慧和工匠精神.并在制造船模過程中，體現其結構美、守恒美等藝術元素.

2 “無線遙控船模”制作過程

2.1 創設情境 進入新課

進行新課教學前，播放 “奮斗者”號載人潛海視頻，2020年11月10日在馬里亞納海溝“奮斗者”號創造了中國載人深潛的新紀錄，深度達到10 909 m.看完這段震撼人心的“奮斗者”號潛海視頻，我們無不為中國的探索精神感慨.“奮斗者”號研制及海試的成功，標志著我國具有了進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力，體現了我國在海洋高技術領域的綜合實力.從“蛟龍”號、“深海勇士”號到今天的“奮斗者”號，研究者以嚴謹科學的態度和自立自強的勇氣，踐行“嚴謹求實、團結協作、拼搏奉獻、勇攀高峰”的中國載人深潛精神，為科技創新樹立了典范.作為新一代青少年，我們更應該弘揚科學精神，敢于質疑和創新，勇攀深海科技高峰，為加快建設海洋強國、為實現中華民族偉大復興的中國夢而努力奮斗，為人類認識、保護、開發海洋不斷做出新的更大貢獻.下面，我們以4人為一個小組，用所學過的知識建立屬于自己的小船，并為它命名，讓它承載著我們的夢想，駛向遠方，駛向美好的未來.

2.2 設計方案 制作船模

(1)材料準備

木板、電動機兩個、接收器電路板、發射器電路板、電線、螺絲若干、電池盒、1.5 V電池5節、螺旋風葉、雙面膠、天線兩根、礦泉水瓶等，如圖1所示.

圖1 材料準備

(2)制作過程

學生通過小組合作，利用所學知識自主思考和探索研究，教師可巡視指導學生完成.具體實驗操作如下：

1)準備材料，如圖1所示 .

2)用7 mm螺絲把接線板和圓孔墊板安裝在船板上,如圖2(a)所示.

3)將電機板安裝在電機上，如圖2(b)所示.

4)將電池盒安裝在另一船艙甲板上，并用粗螺絲把船艙固定好，連接好電路，如圖2(c)～(g)所示.

5)用4 mm粗螺絲把L型天線和接收板的白色導線頭安裝在甲板上，再把螺旋槳安裝在電機轉軸上，如圖2(h)、圖2(i)所示.

6)把雙面膠貼在橫板上，另一面粘在甲板上，如圖2(j)、圖2(k)所示.

7)把橫板的兩端粘在空礦泉水瓶上，這樣船體部分就完成了，如圖2(l)所示.

圖2 船模安裝圖

(3)無線遙控器制作過程

1)用7 mm粗紋螺絲把遙控板安裝在板上，如圖3(a)所示.

2)將電池盒和遙控器導線連接，在雙節電池盒上粘上雙面膠，另一面粘在板上，如圖3(b)所示.

3)用4mm粗紋螺絲把天線和遙控板白色導線頭安裝在板上，這樣，遙控器安裝也完成了，如圖3(c)所示.

圖3 無線遙控器安裝圖

3 原理分析

3.1 船的受力

船在水中受豎直向下的重力G和豎直向上的浮力F浮，根據初中所學沉浮條件,重力與浮力，船的密度與液體的密度關系如表2所示.

表2 船模在水中受力

3.2 動力來源

“無線遙控船?！钡膭恿碓词俏⑿碗妱訖C，它是把電能轉換成機械能的一種設備，內部結構圖及原理圖如圖4和圖5所示.

圖4 微型電動機結構圖

圖5 微型電動機原理圖

微型電動機主要由定子與轉子組成.定子在轉子周圍產生固定的磁場，磁場可以是永磁體或者電磁繞組產生，轉子由多個繞組組成，當繞組受到激勵時，會產生感應磁場，磁極與定子的磁極相反，從而使轉子轉動.換向器又稱整流子，將電刷上的直流電源換成交流電源，能將電樞線圈中感應發生的交變電動勢改為正負電刷上引出的直流電動勢.電動機是利用線圈所受“電磁力”而旋轉，電磁力等于磁通量密度B與電流I和導體長度L的乘積，即F=BIL.

3.3 無線遙控操控

要有效地發射電磁波，振蕩電路必須具有如下兩個特點.第一，要有足夠高的振蕩頻率.振蕩電路向外界輻射能量的本領，與振蕩頻率密切相關.頻率越高，發射電磁波的本領就越大.因此，要發射電磁波，就需要用振蕩器產生很高頻率的電磁振蕩.第二，振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，這樣才能有效地把能量輻射出去.船模無線遙控主要由發射機(圖6)和接收機(圖7)控制.

圖6 無線發射機 圖7 無線接收機

遙控發射機操控船模方向，其指令是通過控制開關和按鈕，經過內部編碼電路調制編碼，再通過高頻信號放大電路將電磁波從天線發射出去.遙控接收機是用來接收無線電信號，處理來自遙控發射機的無線電信號，將所接收的信號進行放大、整形、解碼，并把接收來的控制信號轉換成執行電路可以識別的音頻信號或是數字脈沖信號，傳輸給船模上的其他執行機構，船模就會通過這些執行機構來完成我們所發出的動作指令.

4 思政教育

4.1 物理學史

1887年赫茲證實了電磁波的存在.實驗裝置如圖8所示.

圖8 赫茲實驗原理圖

他將兩個大銅球通過銅棒連接在兩個靠得很近的更小的銅棒上，兩個大銅球作為電容，當發生器線圈的開關斷開時，線圈對電容充電，當電壓達到2萬伏左右時，會擊穿空氣，產生電火花，電荷從中穿過，形成一個高頻振蕩回路，產生變化的電流，形成變化的電場和磁場，繼而產生電磁波.赫茲把產生電磁波的裝置稱“振蕩偶極子”.現在需要一個電磁波檢測器來驗證電磁波的存在，他想到了電磁共振，即諧振.于是他制作了一個斷開的金屬環，將兩個金屬小球連接在斷開的兩端，如果發生諧振，小球之間也會產生電火花，這就是檢波器，稱“共振偶極子”.赫茲經過無數次的實驗，終于證實了麥克斯韋預言，發現了看不見摸不著的電磁波.之后，他又馬不停蹄地做實驗，確認了電磁波的衍射、干涉等特性.赫茲的發現為人類開啟了“信息時代”的新紀元，無線通訊、遙感遙控、衛星導航及家用電器等各種應用蜂擁而至.人們為了紀念赫茲的偉大成就，把頻率的單位命名為赫茲.每一位偉大的科學家都曾潛心研究科學問題數十載，為了科研甚至廢寢忘食，生活捉襟見肘，但依然將一生奉獻給科研，他們的奉獻鉆研精神、對真知的執著追求和敢于質疑創新的科學態度值得每一位同學去學習.

4.2 科技前沿

縱觀古今中外，人類對自然奧秘充滿神奇和向往，并為之不斷進行探索，早在1960年，美國就設立射電望遠鏡尋找“外星人”，他們就是利用電磁波來搜索宇宙中的無線電信號，遺憾的是，至今未發現所謂的“外星人”信號.南仁東先生所引領創造的被譽為“中國天眼”的500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST)是世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，它可以搜索和發現射電脈沖星，正在探索宇宙外星文明.人類不僅設立望遠鏡接收外界信號，也向宇宙發出電磁波向“外星人”問好，不過未發現任何回應，目前發現存在人類文明的星球只有地球，所以我們要保護好我們賴以生存的家園，保護環境，節約資源，為美麗地球村做出貢獻.同時，我們要學習南仁東先生不怕吃苦，勇于奮斗的攻堅精神，為我們祖國在未來探索宇宙的藍圖上增添一筆輝煌的色彩.

4.3 總結與反思

一千個觀眾眼中就有一千個哈姆萊特，基于STEAM 理念的項目式探究學習過程中，我們面對的是成千上萬的鮮活的有創造力、有潛能的學生，有一千個學生就有一千個創作，只需要提供符合他們個性發展的學習環境和資源，給予他們適當的指引和啟發，讓他們的創新思維盡情的在STEAM 教育的舞臺上釋放[7,8].船模制作不止上述一種創造方法，可以加上新能源的利用，安裝太陽能板，變成動力和新能源兩用船，既保護了環境，節約了能源，也增加了多功能體驗；將礦泉水瓶改成美觀的船殼，將甲板進行染色，增添美觀，體現了STEAM教育理念中的“藝術”理念；還可以改裝成水陸兩棲船，增加多功能性.還有更多的設計理念等著這些富有潛力的學生去開發創造.學生可發揮創造力，對自己的船模進行多樣命名和設計，比如“不倒泰坦尼克號”“鯤鵬號”等.

5 結束語

通過本節課“無線遙控船?！钡捻椖恐谱鬟^程，滲透物理核心素養和STEAM素養.學習中國科學家不懼艱險、不怕吃苦和勇于奮斗的探海精神，培養學生的愛國情懷和工匠精神，鼓勵學生要敢于質疑和勇于創新，將來為加快建設海洋強國，實現中華民族偉大復興的中國夢而努力奮斗，為祖國實現兩個一百年奮斗目標，實現社會主義現代化強國目標而崛起，將來在航海、航空等領域貢獻中國智慧和中國力量.