基于STEM的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)“水果電池”的設(shè)計(jì)

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，主要為科技與人才的競(jìng)爭(zhēng)。為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，教育理念也需不斷更新，因此我國(guó)開(kāi)始尋求新的STEM教育理念和有效的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式。STEM理念在美國(guó)誕生，被多個(gè)國(guó)家所認(rèn)可和接受。近幾年來(lái)，STEM教育模式逐漸進(jìn)入了中國(guó)課堂，受到推廣應(yīng)用。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)、提升學(xué)生能力的一種學(xué)習(xí)模式，隨著教育改革的進(jìn)行逐漸受到重視。本文將STEM理念和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)相結(jié)合，以制作“水果電池”為例，設(shè)計(jì)基于STEM教育理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)。

關(guān)鍵詞：STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí) 水果電池 電池電壓大小 電極間距

一、STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)是集科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）多個(gè)學(xué)科于一體的綜合教育模式，是一種能夠培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的教育模式。學(xué)生作為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的主體，在開(kāi)展項(xiàng)目的過(guò)程中運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)構(gòu)建知識(shí)體系，在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中尋找問(wèn)題的解決方法，從而培養(yǎng)了學(xué)科素養(yǎng)、提升了個(gè)人能力。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)具有情境性、跨學(xué)科性、實(shí)踐性、體驗(yàn)性、協(xié)作性等特點(diǎn)，以真實(shí)情景中的項(xiàng)目提出為出發(fā)點(diǎn)，整合多種學(xué)科知識(shí)和學(xué)習(xí)方法，在學(xué)習(xí)活動(dòng)中體現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造思維，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、“水果電池”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)理念

結(jié)合物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)課程，讓學(xué)生充當(dāng)小科學(xué)家角色，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水果能發(fā)電，并研究不同水果的電能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究不同種類(lèi)水果產(chǎn)生的電壓是否相同，探討影響水果電池電壓大小的因素，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

本節(jié)課講授的是人教版必修2第三章第二節(jié)化學(xué)能與電能方面的知識(shí)，教材圍繞火力發(fā)電介紹了將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的基本原理，然后以銅鋅原電池為例來(lái)探討原電池的正負(fù)極、電極反應(yīng)式等問(wèn)題。雖然這種知識(shí)引入方式層層遞進(jìn)，具有很好的邏輯性，但是這些離學(xué)生真正的生活環(huán)境太遠(yuǎn)，學(xué)生很難感同身受。因此，為了讓學(xué)生能直接親歷化學(xué)實(shí)驗(yàn)，我設(shè)計(jì)引入一個(gè)神奇而又有趣的穿越話(huà)題，引導(dǎo)學(xué)生思考假如穿越后沒(méi)有電源如何給手機(jī)充電，利用學(xué)生身邊的事物來(lái)制作奇妙的水果電池，去探討給手機(jī)充電的最佳條件，加強(qiáng)鞏固對(duì)原電池的工作原理的學(xué)習(xí)。

三、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)目標(biāo)

確定課題，以《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，基于STEM理念設(shè)計(jì)的“自制水果電池”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（一）STEM知識(shí)目標(biāo)

1.基于原電池知識(shí)的學(xué)習(xí)，探究原電池的原理及形成條件。

2.通過(guò)設(shè)計(jì)有趣的水果電池，學(xué)生能從電子轉(zhuǎn)移的角度去理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的原理。

3.結(jié)合物理、工程、數(shù)學(xué)、化學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)，探究水果電池，知道電流計(jì)的使用、水果電池制作工藝。

（二）STEM能力目標(biāo)

1.查閱制作水果電池的資料，小組合作討論制作水果電池中遇到的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生用知識(shí)聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)、合作學(xué)習(xí)的能力。

2.設(shè)計(jì)制作水果電池的方案，探究影響電池電流大小的因素，并不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)出最佳方案，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、整合問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

（三）STEM態(tài)度目標(biāo)

1.通過(guò)學(xué)習(xí)制作水果電池，激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣和熱情，并在以后生活學(xué)習(xí)中踐行STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

2.通過(guò)制作水果電池的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生感受作為科學(xué)家不斷探索和孜孜不倦、精益求精的精神。

四、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，鞏固舊知識(shí)

情景導(dǎo)入：假如你帶著手機(jī)穿越了，穿越以后手機(jī)很快沒(méi)電了，怎么才能給手機(jī)充電？怎么樣利用你所學(xué)知識(shí)解決這個(gè)問(wèn)題呢？我們來(lái)一起嘗試解決穿越后面對(duì)的這個(gè)難題——自制“水果電池”給手機(jī)充電。

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)水果電池的興趣，主動(dòng)聯(lián)系生活與實(shí)際，利用化學(xué)學(xué)科思維解決實(shí)際問(wèn)題，落實(shí)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的培養(yǎng)。

（二）學(xué)生提出猜想與假設(shè)

1.水果為什么可以導(dǎo)電用來(lái)做水果電池？

水果中含有大量糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、生物酸等物質(zhì)，其中的生物酸起電解質(zhì)的作用。往水果中插入不同金屬電極并用導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，會(huì)有電子的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流，形成水果電池。

2.水果電池的電壓與水果的種類(lèi)有什么關(guān)系？

根據(jù)原電池的原理及形成條件，推測(cè)水果電池所產(chǎn)生的電流大小與水果本身即水果中所含的電解質(zhì)溶液有關(guān)。水果種類(lèi)不同，所含汁液不同，產(chǎn)生的電壓也不一樣。

3.水果電池的電壓還可能與什么因素有關(guān)？

水果電池的電壓還可能與水果汁水狀態(tài)，電極金屬片的種類(lèi)，電極金屬片的距離，電極金屬片的形狀等有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系物理、數(shù)學(xué)、生物等學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案前提出啟發(fā)性問(wèn)題，確定實(shí)驗(yàn)探究方向。提高學(xué)生思維嚴(yán)謹(jǐn)性和邏輯性。

（三）布置項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)性任務(wù)

研究項(xiàng)目1：哪些水果能產(chǎn)生電流，適合做水果電池？

（課前已布置，學(xué)生已經(jīng)準(zhǔn)備好各種水果，有西瓜、檸檬、橙子、梨。）

先選用酸性較強(qiáng)的檸檬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

任務(wù)一：檸檬電池實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將課前準(zhǔn)備好的鋅片和銅片打磨干凈，將銅片和鋅片的一端分別用小鐵夾夾住，再連接導(dǎo)線(xiàn)。

（2）把兩根導(dǎo)線(xiàn)的另一端分別接在電流計(jì)的兩個(gè)接線(xiàn)柱上，形成串聯(lián)電路。

（3）用手輕輕擠壓檸檬，使檸檬內(nèi)部柔軟，產(chǎn)生較多汁水，但要留心不能把檸檬擠壓破皮。

（4）用刀在檸檬外皮劃開(kāi)一個(gè)小口，把連好導(dǎo)線(xiàn)的銅片和鋅片分別插入檸檬里，保持距離為1厘米，觀察電流計(jì)是否偏轉(zhuǎn)。

（5）如果電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)不明顯或者偏轉(zhuǎn)角度太小，再接入一個(gè)檸檬或兩個(gè)檸檬，依次把它們串聯(lián)在一起，觀察電流計(jì)偏轉(zhuǎn)角度是否變大。

（6）把電流計(jì)替換成發(fā)光二極管，接入實(shí)驗(yàn)串聯(lián)電路中去。觀察二極管亮度，增加實(shí)驗(yàn)中檸檬個(gè)數(shù)，直到發(fā)光二極管發(fā)出較強(qiáng)亮光為止。

設(shè)計(jì)意圖：初步啟發(fā)學(xué)生檸檬不僅可以用來(lái)發(fā)電，還可以接入不同電器使其工作，使學(xué)生產(chǎn)生其他水果能否發(fā)電、電壓大小的疑問(wèn)，激發(fā)學(xué)生制作水果電池給手機(jī)充電的興趣和繼續(xù)探究的動(dòng)力。

思考1：除了檸檬，還有什么水果可以做電池？電壓如何？

任務(wù)二：多種水果電池分組實(shí)驗(yàn)，制作西瓜電池、橙子、梨電池。

（1）實(shí)驗(yàn)分為三組進(jìn)行，分別做西瓜電池、橙子電池、梨電池

（2）依據(jù)控制變量法，每一組除了采用的水果種類(lèi)不一樣，水果個(gè)數(shù)、選用電極材料、電極之間的距離、電極金屬片的種類(lèi)和形狀等條件均相同。

（3）重復(fù)與上述檸檬實(shí)驗(yàn)相似的相關(guān)步驟，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)情況，并記錄讀數(shù)。

（4）重復(fù)與上述檸檬實(shí)驗(yàn)相似的相關(guān)步驟，觀察發(fā)光二極管的亮度，用不亮，微亮，較亮，亮，明亮來(lái)描述二極管的亮度，以此衡量產(chǎn)生電流的大小。

教師指導(dǎo)：以上步驟是初步設(shè)計(jì)水果電池，感受水果電池中電壓、電流的存在。接下來(lái)請(qǐng)學(xué)生思考以上水果電池能否解決我們時(shí)空穿越后用水果電池給手機(jī)充電的問(wèn)題。現(xiàn)有一部改裝后的手機(jī)充電器和手機(jī)供大家研究使用，請(qǐng)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：積極實(shí)驗(yàn)，將改裝后的手機(jī)充電器和手機(jī)接入水果電池的電路中，接通電路，觀察手機(jī)充電情況，發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯變化。

學(xué)生提出質(zhì)疑：為什么手機(jī)接入后充電電量無(wú)明顯變化？

交流討論：很明顯，水果電池的電壓過(guò)低，無(wú)法給手機(jī)充電。

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)的失敗，使得學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)的進(jìn)步不是一帆風(fēng)順的，培養(yǎng)學(xué)生不怕困難、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。

思考2：影響水果電池電壓大小的因素有哪些？

組織學(xué)生討論：通過(guò)查閱資料可知，手機(jī)充電最小電壓范圍為3.7 V～4.5 V。學(xué)生經(jīng)過(guò)討論總結(jié)發(fā)現(xiàn)，水果種類(lèi)、果汁多少、水果的新鮮程度、不同電極材料、電極材料的表面積、電極間距離等對(duì)水果電池電壓均會(huì)產(chǎn)生影響。

教師指導(dǎo)：經(jīng)查閱資料后發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)范圍內(nèi)，電極間距離越近越有利于電流產(chǎn)生，采用相同大小，相同材料的金屬鋅片和銅片做電極，分組探究水果種類(lèi)、果汁多少與狀態(tài)對(duì)電壓影響，找出最佳水果、最佳果汁狀態(tài)，從而提高電壓。

研究項(xiàng)目2：水果電池電壓與水果種類(lèi)、果汁狀態(tài)、電極間距離有什么關(guān)系？

教師指導(dǎo)：由于部分水果例如檸檬、橙子存在瓣膜，梨子、西瓜肉多，不利于水果電池中電子的流動(dòng)，如果把水果榨成汁，水果電池效果會(huì)不會(huì)更好？電極間距離的大小會(huì)不會(huì)影響電子的流動(dòng)？

學(xué)生討論：實(shí)驗(yàn)條件有限，檸檬、橙子和西瓜汁水較多，可以直接擠壓獲得果汁；用小刀把梨切碎，再用研缽把切碎的果肉研磨成泥，最后用紗布過(guò)濾，獲得梨汁。實(shí)驗(yàn)中，我們必須采用等量的各種果汁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電極材料及大小相同，電極間距離設(shè)定為1 cm，2 cm，3 cm，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

優(yōu)化方案實(shí)驗(yàn)步驟如下：

任務(wù)三：探究不同水果果汁的電壓

（1）實(shí)驗(yàn)分三組進(jìn)行，分別做檸檬汁電池，西瓜汁電池，橙汁電池，梨汁電池。

（2）依據(jù)控制變量法，每一組均取體積30 mL果汁于小燒杯中，選用大小、形狀相同的銅片和鋅片作電極材料，電極之間的距離為1 cm，有關(guān)因素均相同。

（3）把電流計(jì)接入電路，接通電路，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)情況，并記錄讀數(shù)。

任務(wù)四：探究電極距離大小對(duì)電壓的影響

分組方法同任務(wù)三。依據(jù)控制變量法，每一組分別設(shè)置電極間距離1 cm，2 cm，3 cm做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其他條件均相同。接通電路，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)情況，并記錄讀數(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：任務(wù)三、四的設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)，以彌補(bǔ)任務(wù)一、二的不足，不斷完善本項(xiàng)目活動(dòng)中水果電池的制作工藝。加強(qiáng)對(duì)原電池工作原理的深入理解，提升了原電池學(xué)習(xí)課堂效率。但給手機(jī)充電的實(shí)際問(wèn)題未能切實(shí)完成，有待于學(xué)生進(jìn)一步探索。

五、反思總結(jié)

這次實(shí)踐活動(dòng)是對(duì)科學(xué)知識(shí)應(yīng)用的一次親身體驗(yàn)，拉近了化學(xué)與學(xué)生距離，讓學(xué)生感受到化學(xué)在身邊，有一雙能夠在生活中發(fā)現(xiàn)化學(xué)的眼睛。這次活動(dòng)，一是讓學(xué)生真正體驗(yàn)到作為科學(xué)家不斷探索并獲得成功的樂(lè)趣。二是在實(shí)踐中培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的精神，提升了學(xué)生自我思維、分析的能力。三是培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、科學(xué)創(chuàng)新的能力，提升了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。四是讓學(xué)生學(xué)會(huì)聯(lián)系跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，并在以后生活學(xué)習(xí)中踐行STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。五是學(xué)生受到了尊重科學(xué)、崇尚科學(xué)，對(duì)待科學(xué)要一絲不茍的科學(xué)態(tài)度教育。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］侯肖，胡久華.在常規(guī)課堂教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)——以化學(xué)教學(xué)為例［J］.教育學(xué)報(bào)，2016，12（4）：3944.

［3］劉蘭輝.基于STEM理念的初中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究［D］.南昌：江西師范大學(xué)，2016.

［4］吳成芳.基于STEM理念的高中化學(xué)項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［D］.南昌：江西師范大學(xué)，2016.

［5］趙揚(yáng).基于課程標(biāo)準(zhǔn)的初中化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)——以《DIY水果電池》為例［J］.教育科學(xué)論壇，2018（34）：4648，4.

［6］乙若梅.基于STEM教育理念中的中學(xué)化學(xué)教學(xué)案例開(kāi)發(fā)及實(shí)踐——以材料主題為例［D］.南京：南京師范大學(xué)，2021.

［7］陳燕祝.高中化學(xué)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究［D］.貴陽(yáng)：貴州師范大學(xué)，2020.

責(zé)任編輯：趙瀟晗