基于STEM教学下的发电机制作教学设计

【摘 要】STEM教学模式初步包括：情境引入、物理建模、制作实践、改进与评价。本设计根据STEM教学模式，将创设情境引入课堂，学生通过制作、改进和评价发电机，培养科学思维，提高其实际操作、团队协作、克服困难的能力，使学生在“做中学”的过程中提升科学素养。

【关键词】STEM教学模式、发电机、改进

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2019）34-0047-02

结合物理学特色，物理课堂实施的STEM教学模式初步包括：情境引入、提出问题、物理建模、工程实践、总结评价。教师在每个环节中所起到的作用各不相同，如物理建模环节，教师不能直接给出学生所需构建的物理模型，而是给予适当的指导，逐步引导学生尝试自主构建物理模型，给予学生独立思考和自主学习的空间;工程实践环节，教师应为学生提供充分的资源，给予学生实践方面的指导，并监督学生操作安全等。学生在每个环节的活动都是按照循序渐进、由浅入深的原则设计的，学生活动的整体过程是由实际生活转向理论探究、再利用理论指导实践的过程。本课例教学设计使用STEM教学模式，体现了STEM教育理念。

1   教材分析

发电机是指将其他形式的能源转换成电能的机械设备。本设计所制作的发电机主要是把动能转化为电能。工业上，发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包繞组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成;转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。由轴承及端盖将发电机的定子、转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势。通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流（从手摇发电机模型看到灯泡发光一闪一闪的，说明发电机产生的是交变电流）[1]。

发电机在日常生活中扮演着重要的供电者角色。法拉第电磁感应的发现，为电能的大规模应用创造了条件，在人类的发展史上具有划时代意义，充分说明了科学技术推动社会发展。本课例开展发电机制作教学，学生通过参观和科技制作，从而对法拉第电磁感应现象的展馆项目有更深入的认识。

2   情景引入

学生在课堂上已经从理论层面学习了“电磁感应”知识，教材中有专门的章节介绍发电机的相关内容，因此大部分学生对发电机的基本发电原理、能的转化和守恒有了较完整的认识。本课例设计是发电机制作的实践课堂，是课本知识的自然延续，把理论知识运用到实际生活，拓宽学生对发电机类型的认识，同时在实践中增强节约用电的环保意识[2]。

教师用展馆内法拉第电磁感应实验区实验模型、手摇发电机模型引入，激发学生兴趣，创设良好的学习情境。学生利用学习过的法拉第电磁感应定律，分析各模型感应电流产生条件，体现了循序渐进的原则。以上知识的教学，旨在使学生储备基础知识，以迎接之后的发电机制作活动。

3   教法与学法

在教法方面，本课例设计主要采用任务驱动与引导探析教学相结合的教学方法，重在优化教师的主导作用，强化学生的主体作用。一方面，教师通过实物展示、提问、总结，引导学生参与并完成科技制作，理论联系实际，教学步步深入，一气呵成。另一方面，学生通过“观察、分析、归纳、总结”，实现对知识点的理解、记忆和掌握，通过动手操作，实现对知识的巩固，培养能量守恒观念与环保意识[3]。

在学法指导方面，本课例希望学生做到以下几点：

（1）明了：明确教学目标和活动任务。

（2）探究：教学中通过装置展示、设置问题引导学生从物理现象中寻找本质，既突出了本课例的重难点，也相应培养了学生分析问题和思维的能力。

（3）应用：教学中通过展示不同类型的发电机，在任务的驱动下成功完成一种以上的发电机制作。

4   制作实践

本课例需要准备下面器材：手摇发电机模型、磁铁、相同大小不同匝数的包漆线圈（500匝、300匝、100匝）、相同匝数不同大小的包漆线圈、转动轴、导线、发光二极管、木板底座、螺丝钉、螺丝刀、灵敏电流计。

发电机模型制作时首先需要一对相对放置的磁极。磁极固定好以后，需要一个线圈，可以将铜导线弯成近似矩形，矩形面积合适，要能保证矩形可在磁极间空间沿轴旋转的大小。矩形不要封口，将导线两端分别取一段引出，装在可以旋转的轴上。将线圈两端接入合适量程的灵敏电流计或二极管，旋转转轴就可以看到指针的摆动或二极管发亮，这就是最简单的发电机原理。两种类型包括：磁体不动，线圈动;线圈不动，磁体动[4]。学生制作的目标是：至少完成两种类型的单相发电机制作（磁体不动线圈动;线圈不动磁体动）。

5   改进与评价

在制作活动中，包括“设计→制作→测试→再设计”，教师和学生分工不同。教师巡回指导，在学生设计建造和测试评价前，提供建模工具的讲解和介绍。在学生设计建造中，巡视观察每个小组的进展，并给予学生相应的指导和帮助，如提供设计建造的工具及其使用方法，时刻提醒学生注意操作安全等。在测试评价时，提供一些工程测试的常用方法和技巧，并及时对学生的作品给出自己的建议和评价，以巡回的形式引导和帮助学生完成整个工程实践的过程[5]。

学生通过小组合作的方式完成发电机模型制作，在各种可能的条件下对自己的产品进行多次测试，针对测试过程中出现的问题，需要重新回到问题的起点，通过小组成员的探讨以及教师评价，找到问题解决或优化的办法更新方案设计，再次建立模型，并进行测试及改进，最终展示作品并总结。培养学生在问题探究过程中使用科学研究方法与过程技能，促使学生科学思维的形成;提高学生的实际操作、团队协作、克服困难的能力以及STEM各项能力，使学生的科学素养在“做中学”的过程中得以提升。

【参考文献】

[1]沈杰.STEM教育理念与跨学科实验教学整合模式[J].文化创新比较研究，2019（10）.

[2]李正艳.中小学STEM教育模式的构建与应用研究[D].广州大学，2017.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）.

[4]梁红，姚胜奇，姚远，等.发电机演示仪的设计及其在教学中的应用[J].科技创业家，2013（16）.

[5]巩宇.浅析汽轮发电机的安装与调试[J].中国新技术新产品，2010（24）.

【作者简介】

连继业（1987～），男，广东省汕头市人，学历：本科，中学一级教师，研究方向：物理教学。