STEAM理念下高中物理与技术学科有效融合的实践研究
2020-09-22容兰
容兰
摘要：STEAM教育是一种多学科相融合的综合教学模式，力求培养综合性、实践性、创新性人才。目前，国内外都在大力倡导STEAM教育。本文立足物理和技术学科，以教学案例“开发新能源小车”为例，探索如何在高中阶段实现跨学科融合教学。
关键词：STEAM理念 能量转化 激光雕刻
一、问题与聚焦
当今社会，汽车的使用率逐渐增加，汽油消耗量日益增长，能源不足和环境污染问题也越来越严重，能源危机已成为全球共同关注的话题，越来越多的电动汽车、共享单车也应运而生，高中生有亲身体验新能源汽车或单车的经历，因此，利用学生对新能源已有的认知，通过调查分析，将问题聚焦至模拟新能源汽车开发上，通过实验探究让学生了解常见能量收集的方式，通过激光雕刻制作出不同动力装置的能量小车，并根据测试数据提出改进方案同时进行项目的终极汇报和展示，通过新能源小车的项目开发和实施，让学生在做中学，学中思，思中创。
二、探究与制作
（一）实验探究：探究不同形式能量转换电能的影响因素
实验目的：探究太阳能、风能、手摇发电机发电的发电原理与影响因素
实验猜想：太阳能发电的影响因素：光照强度，光照角度，太阳能板转换效率;风力发电的影响因素：风速，风量，磁感应强度;手摇发电机发电的影响因素：转动速度，磁感应强度
实验原理：太阳能发电是利用太阳能电池收到光照时，电池内电荷分布状态发生变化而产生电压和电流，将太阳能转换为电能。风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，进而带动发电机线圈转动，利用电磁感应现象产生电流，将风能转换为电能。手摇发电机是通过手摇的方式使发电机内线圈转动切割磁感线，利用电磁感应现象产生感应电流，将机械能转换为电能。
实验过程：
（1）将太阳能板放到阳光下，将万用表调到电压挡，用鳄鱼夹线连接万用表和太阳能电池板，观察并记录电压表读数。分别调整光照强度和光照角度，记录电压值。
（2）将电动机分别与风扇和电源相连，将交流发电机和另一个风扇和LED灯相连，接通电源使风扇转动，产生风力，从而使另一个风扇转动起来。
学生进行风力发电实验测试
（3）将手摇发电机与多用电表相连，多用電表调到电压挡，转动发电机手柄，观察灯泡亮度和电压表识数，改变转速，观察并记录电压表示数。
实验数据：学生分组分别进行实验探究，观察记录实验数据
实验结论：太阳能板转化电能与光照强度，光照角度等有关;风速和方向都会对风力发电产生影响;线圈转动的快慢会影响手摇发电机发电。
实验优化：通过控制变量法研究更多因素对电能转化的影响，采用更加精密的实验仪器进行定量研究分析。
（二）小车制作：制作不同能源小车
任务一：设计方案制定
学生分为四组，每组制定一个设计方案，分别完成太阳能小车、风力小车、电动小车和弹力小车的具体开发。
任务二：绘制小车模型草图
学生根据自己的设计方案，画出小车结构，计算小车各部件尺寸，并画出草图。
任务三：用激光雕刻机雕刻小车
学生根据已画好的小车结构草图在软件上精确绘制出组件小车所需要的零件图，并用激光雕刻机雕刻小车模型。
任务四：制作不同能源的小车
学生组装小车，并为小车加入不同的动力装置，分析小车的能量转化方式。
四个小组分别完成小车模型
三、验证与优化
学生完成能源小车组装，并对小车的运行情况进行测试。通过测试后的数据，分析总结设计中的不足并进行改进。
学生对小车进行测试
四、展示与评价
（一）成果汇报
每一个小组代表进行项目成果汇报。从项目名称，项目方案设计，项目实施，项目成果和改进，项目延伸等几个方面向大家分享自己的项目。
（二）项目终极性评价
教师对整个项目进行总结，并对每一个学生项目进行评价，填写评价单。
五、拓展与应用
教师引导学生了解中国各种新能源发展现状，结合现代新能源技术，进一步对自己设计的能源小车动力系统进行改进，比如对弹力小车的齿轮模块利用3D技术进行打印，增强大小齿轮之间的咬合度，提升小车的运动速度，也可以对太阳能小车添加自动感光调节装置及自动控制系统，并与电动车功能相结合，实现电能和太阳能的实时切换，增强小车的续航能力。
学生通过这个项目的学习，学会发现生活中的问题，进而提出解决问题的方案，并通过项目开发的方式来解决问题，同时教师引导学生将工程思维及项目研究的方法应用到以后的项目学习中。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.
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[4]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2015，38（4）：2-4.
