设计并制作“星星点灯”

我带来的课题是一个来自生活的项目。我先给大家播放一段小视频（播放视频），视频中调整灯的亮暗的需求来源于一个生活的场景。我们以这样一个需求作为我们的研究方向，即制作一个夜晚自动点亮、晚上自动熄灭的神奇小灯。我们还给这个课题起了一个漂亮的名字——星星点灯。

课题确定以后，如何实现我们的方案呢？在这个过程当中，学生又会用到哪些知识和技能呢？

为了使探究活动能够顺利进行，我们设计了一个小环节，即通过制作一个“简易的调光灯”，让学生了解在其中涉及的电子控制技术，这样间接地学习了“一个简易灯的电路图”的知识。

学生们首先遇到的一个非常重要的元器件就是三极管，那么三极管是什么？它到底有什么作用？我们通过一个小的教学视频来展示（如图1）。

学生们通过小视频了解到，三极管的三个极中有一个极是控制极，它微小的变化可以控制很大的电流通过。接下来，我带领学生回过头去学习调光电路的电路图，分析“如果把这个电路的电源开关合上之后，这盏灯能不能瞬间点亮”。

学生根据刚才看到的视频，知道三极管有一定的控制作用，要想让这盏灯点亮，则必须控制B极。通过它的电压变化，使得在它和C之间有一个较大的电流通过，因此在这个通路上的发光二极管就可以被点亮。

那么，我们控制的究竟是什么呢？通过调整可变电路，我们实际上是取得了一个Rp下面的增压，通过这个增压来获取整个电路的通与断，或者它电流的大与小。在这里，有一个最关键的数据就是0.6伏，因为0.6伏是门槛电压。

如何让小学阶段的学生理解“0.6伏是门槛电压”呢？我们一般通过仪表测量，让学生了解到这样一个数据，中学阶段则可以让学生通过计算来得到这个数值。

有学生可能会问：“我用普通开关就可以控制电路，为什么要加入一个三极管，把事情变复杂呢？”我告诉他，因为三极管最大的特点就是，可以用很小的信号来控制很大的电流。在未来的自动控制当中，像冰箱里的温控电路，热水器的温控电路，走廊中的声控电路以及光控电路等，就是用这些微小的信号来实现电路控制的。那么，三极管的控制能力就为我们实现这些技术提供了保证。

我给学生播放上一届孩子做的一个小视频（如图2）。在视频中，通过调整可变电阻，灯光由很明亮逐渐减弱，最后关闭。学生们通过观看视频，感受到三极管的控制原理。

图2 三极管的控制原理视频截图

在了解了这些知识之后，学生开始自己动手制作。在制作的过程中，我要求他们思考：电阻的变化会使得发光二极管发生什么样的變化？需要调整哪些变量，才能达到这一目的？

当学生们把这个电路做完之后，再回到问题的初始：如何让灯在黑天自动点亮、白天自动熄灭？学生发现，要把白天和黑夜作为控制电路的一个条件。

那么，怎样实现这样的控制？此时我引入一个新知识——光传感器，并重点向学生介绍了光敏电阻的原理：随着光照的明暗不同，光敏电阻的电阻大小会发生变化。光照强时，电阻很小；光照弱甚至无光时，电阻就很大。因此将它作为传感器加入电路当中，就可以起到自动控制的作用。

学生通过制作电路，对三极管的控制原理有了深刻的理解，再加上对光传感器原理的了解，学生就具有了一定的知识准备，可以根据我所提供的知识，或者上网查找更多的资料，来自己设计一个夜晚自动点亮、白天自动熄灭的小灯。

在完成了这些前期的小实验之后，我就让学生分组开展头脑风暴，讨论自己的设计方案。学生两三个人一个小组，讨论完后要绘制出一个电路图，表明自己要做一个什么样的电路以及这个电路可以达到什么样的效果。

当制作完电路图以后，学生要在全班发表和讨论。老师也加入到讨论中来。学生在讨论过程中对自己的方案进行修改，然后开始实际制作这个电路。我为学生准备了制作材料：5V电池（多功能电子实验盒）；10kΩ电阻、100kΩ、200Ω电阻；光敏电阻（光控开关）；三极管（9013）；发光二极管（LED）；面包板和导线。

在准备材料的过程当中，我会在电路安全范围内为学生多准备出一些导线。这样可以让学生在调试过程中充分体会到，不同的电路会得到不同的升压，因此产生的效果，如灵敏度、范围等会有变化。学生可以根据这些变化做一个测量表，将每次换电阻的情况进行记录，哪些调整得好，哪些比较宽泛等做一个对比，形成一个最终的方案，并完成制作。

当学生完成电路的制作之后，我再启发他们对自己的作品进行外观设计。这样，学生们就可以利用准备好的废弃的纸盒、吸管、折纸等，为自己的电路做一个美丽的外观，并在全班展示。

图3是学生们展示的作品成果。有的学生用水杯和吸管，做一个非常简洁、效果又很好的吸管灯，有的学生做成了牛头灯，有的做成了夜晚自动点亮的圣诞小屋作品。学生们笑容满面的神态告诉我，他们对这个课非常喜爱，通过自己亲手制作，也加深了对电路的理解和外观的设计。

这就是整个教学过程。跟以往教学不同的是，过去教师可能会给大家讲解完知识，再带着大家做一个电路就算结束了。现在我应用STEM教学理念，用任务驱动开始设立一个主题，这个主题一定是来自于生活的，然后学生研究问题、设计方案、修改方案，最后呈现。在这个过程中，学生学习到了三极管控制原理、光传感器等科学知识，然后运用电子控制技术来完成作品，实现他们的目标。其中，还有学生对数据的测量采集，根据数据精确地制作出完美的作品。

专家点评

董宏建（北京理工大学远程教育学院教育技术研究所副教授）：“星星点灯”教学比较好地融入了STEM教育所倡导的项目教学方式。项目的来源是生活当中遇到的问题，并且教师将“如何解决这个问题”贯穿到课堂的始末。这个案例也从三个方面体现了STEM的特点：一是课程设计实现了STEM课程的有效融合，二是将抽象的书本知识与现实生活的情景相结合，三是在整节课的设计过程当中让学生去动手和实践操作，这充分调动了学生探究整体解决方案的积极性，提高了学生的实践能力。希望更多的中国老师将来源于生活的问题与学科融合起来开展STEM教学。当然，这个案例也有我认为可以进一步交流之处。在成皓老师的整个介绍里，科学知识所占的比重比较大，数学知识的运用体现得少了点，如果能够把这个项目涉及的四个学科运用得更融合，会更加体现STEM教育的特点。