基于STEM理念的自组装探究电功转化实验仪

王辰晨,杨晓梅，叶峻铭

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

2016年，教育部在《教育信息化“十三五”规划》中首次明确指出，要积极探索STEM教育等新的教育模式的应用，着力提升学生能力，促进学生的全面发展[1]. STEM教育理念旨在学科交互融合的基础上，从科学、技术、工程以及数学4个方面提升学生解决实际问题的综合能力、创新精神与实践能力.

自组装实验仪有别于普通物理教学实验仪的优势是它能充分融合不同维度的教学目标，从各方面将教学效果真正落到实处. 因此，本文从介绍自组装探究电功转化实验仪的原理及作用起，并阐述STEM教育理念与之相结合的具体体现.

1 自组装探究电功转化演示仪介绍

自组装探究电功转化演示仪是由一道中考复习题演化过来的，如图1所示.

图1 中考复习题

在进行习题讲解的过程中，发现学生对于“有用功”和“总功”的概念理解不清，并不能在不同的条件下正确地对题目进行分析. 所以笔者将“有用功”以及“总功”的概念用可视化的教具呈现在学生的眼前. 但单纯地用手拉绳子，很难实现恒力这一条件. 因此，选用电动机匀速驱动绳子从而获得恒力，将绕过定滑轮的物块提升一定的高度，即将电能转化为机械能的过程作为实验仪研究主体.

1.1 制作过程

自线装探究电功转化实验仪实物图如图2所示. 选用工作电压为3～12 V，负载电流为70～250 mA的电动机，根据电动机的规格，选择4节1.5 V带有开关的电池盒，50 Ω，1.5 A的滑动变

图2 自组装探究电功转化实验仪实物图

阻器，量程为5 V的直流电压表，量程为200 mA的直流电流表，50 cm的刻度尺，定滑轮. 为减小记录时间的误差，以篮球场上专用的数字计时器电路板作为实验仪中的计时工具. 由于电动机的转动方向应该能通过调节而改变，故在电路中加了2个单刀双掷开关作为换向器，并连接在电动机两端，这样就可以在不改变其他元件电流方向的同时只改变电动机电流方向. 为了测量方便，提升的物块选择有质量标识的钩码.

1)在1块平整木板的底部固定4块小木块作为支撑，并在木板的合适位置钻孔，将实验元件按照顺序摆放有序，并用导线连接设计的电路.

2)用瓦楞纸、白纸以及热熔胶做出能够固定刻度尺和定滑轮的“柱子”，并将其固定在电动机旁边合适的位置.

3)在电动机能够转动的轴上固定细绳，将细绳的另外一端绕过定滑轮，垂在刻度尺的前面，便于通过刻度尺读出物块的位置.

1.2 实验原理

图3 自组装探究电功转化实验仪原理图

2 STEM理念在实验仪中的体现

为了体现STEM教育的4个维度，围绕自组装探究电功转化实验仪，站在学生的角度，分别制订了各个领域具体且有针对性的教学目标[2].

首先是S(科学). 义务教育物理课程标准对此部分内容的要求是：通过实验，认识能量可以从一个物体转化到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化；结合实例，认识功的概念，知道做功的过程就是能量转化或转移的过程；从能量转化的角度认识电源和用电器的作用[3]. 基于课标的要求，在进行自组装实验仪的设计中，就以驱动电动机的电路作为主体，以带有刻度尺和定滑轮的“柱子”作为辅助，以这种可视的形式将电能转化为机械能的过程呈现在学生面前；实验仪在运行过程中，可以从“总功”与“有用功”的概念入手，让学生知道在此过程中，将物块提升是实验的最终目的，那么在此过程中，“有价值”的功就应该为物块克服自身重力所做的功. 电源通过电路将电流输送给电动机，以此驱动电动机使物块被提升，所以电源给电动机的输入电功就是整个过程中的“总功”. 通过这种形式让学生更好地理解此部分内容，并能够熟练运用知识去解决实际的物理问题，提高学生的学习兴趣.

其次是T(技术). 义务教育物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程. 在此实验仪的操作中，理解电路原理图，能够独立地连接电路以及理解电路中每一个元件的接法. 当接通电路，物块被提升一定高度后，细绳就会绕在电动机的转轴上，做下一次实验时，还要手动解开细绳，这样做费时费力. 所以想要通过单刀双掷开关充当换向器，通过改变电流的方向改变电动机的转动方向，并且单刀双掷开关只能连接在电动机两侧，这样才能确保改变开关方向后，不改变除电动机以外的其他元件的电流方向. 只有真正理解了实验仪的构造及原理，才能充分的利用实验仪进行科学的探究，从而习得相关的科学知识. 让学生在动手操作的过程中，培养学生发现问题并通过实践解决问题的科学态度，养成严谨的科学思维.

然后是E(工程). 义务教育物理课程应注重与生产、生活实际及时代发展的联系. 起重机的实验原理为通过电力驱动，将动力的能量输入，转化为机械能，再传递给取物装置，这和此实验仪的原理有异曲同工之妙. 从实验仪的原理入手，再对起重机的原理加以解释，让学生体会物理知识在常见的工程仪器中的应用，培养学生学习物理的兴趣. 告诉学生知识能通过系统的学习最终应用于生活、工作及实践，培养学生的社会责任感.

最后是M(数学). 实验仪能够通过对实验元件的读数来记录数据，通过计算来定量分析探究电能转化为机械能的过程，并计算出电动机的机械效率. 义务教育物理课程标准对机械效率的要求是：知道机械效率，了解提高机械效率的途径和意义[3]. 而在定量探究方面，设计了让学生能够清晰地理解所测量的物理量与计算公式之间的关系的表格，强调实验数据需要多测几次求平均值，这样能够减小实验误差；还要让学生知道，在进行相关性分析时，至少要有5组数据作为支撑，才能够有说服力.

通过实验仪进行实验数据的采集，并通过计算与作图，让学生自己总结物理规律，不仅让学生体验了科学探究的过程，还能够培养学生严谨的科学态度，同样也加深了学生对于此部分内容的理解.

3 结束语

将STEM理念融入自组装探究电功转化实验仪，从科学、技术、工程及数学4个方面培养学生的创新思维和综合能力，教师从有别于三维目标及科学素养以外的视角去进行课程及实验的设计，更加注重学生的主体性，注重学生的需求，从多样化的维度来设置目标，能让学生在学习的过程中增加学习兴趣.