STEAM教育项目教学案例

姚海远

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-08-147

一、案例研發（开发）描述

1、学生们使用西红柿照亮LED时钟（或灯泡），使他们了解电池如何在简单的电路中工作以及化学能如何变为电能。随着他们更多地了解电能，他们更好地理解电压，电流和电阻的概念。

2、使用自己在化学和物理学科中学习到的知识，设计一个西红柿电池。

课程基本信息

年级：高中一年级

课时：2课时

团队规模：4人

学科领域：科学、物理、化学、工程、艺术、数学

2、案例实施目标

科学目标：利用多种能源发电、储存能力

物理目标：电路图、电能、电压、电流以及万用表的使用等;

化学目标：将化学能转化成电能的反应，电池的工作原理以及导电溶液的选择等;

工程目标：完成电路图连接，电池的工程设计，满足应用需求、改进测试;

艺术目标：利用水果设计水果电池并绘制设计图;

数学目标：电压计算、电流公式等，培养学生的跨学科能力，通过实际操作促进知识的理解和迁移。

三、教学实施条件（准备）

STEAM教室、3个西红柿（新鲜）、3个铜硬币（或铜条，保证每个西红柿一个）、3个锌钉（这些是镀锌钉，可在五金店买到或是锌皮）、5根绝缘电线（长15-20厘米，且末端有鳄鱼夹）、1个低电流的发光二极管（LED时钟，或LCD时钟（需要-1.5伏），或一个小LED）、万用表或电压表（万用表测量电路的电流，电压和电阻），小刀

四、教学过程设计

1.问题提出

我们用电池为电器供电。电池通过向电子提供可以在其中移动的溶液来工作。你有没有注意到有些电池的铜端是正极（用加号（+）表示）而另一端是负极（用负号（-）表示）？锌是一种喜欢将电子提供给铜的金属。通常，锌只是将其电子提供给铜，然后过程停止。但是，如果你给电子提供一种溶液（称为电解质））帮助他们移动到铜线上，然后给电子提供一条

线，使铜线可以从铜线移回锌线，产生电路和电能流动路径。（注意：常规电流从正极流向负极，因此从铜线，通过导线回流到锌线。电子实际上从负极流向正极。）

2.方案设计

学生以团队为单位，在活动开始之前了解课程背景并收集材料，完成“电池工作学习单”，小组合作利用西红柿发电使LED灯亮起来。

课程步骤

1.将班级分成两个或三个学生的团队。分发材料。

2.指导小组将锌片和铜片小心地放入西红柿中。确保西红柿中两种不同的金属不相互接触

3.将一个鳄鱼夹连接到从伸出的铜片的末端，将另一个鳄鱼夹连接到锌片的末端，从西红柿伸出。

4.将万用表设置为低电压“直流电压”和电流“直流毫安”，这样学生就可以看到一个西红柿可以产生的电荷。预计马铃薯产量不到1伏。鼓励学生将万用表的十进制读数转换为分数（例如，0.82伏= 82/100伏）。

5.让学生弄清楚他们需要多少西红柿点亮他们的LED时钟（或时钟）。例如，如果他们的西红柿产生0.8伏的电压，那么他们可能需要两个西红柿来为1.5伏电压供电。

6.让学生尝试弄清楚如何将两个西红柿连在一起。要将两个西红柿串联起来（以增加更多电压），将一分钱和钉子放入第二个马西红柿中，并将第一个西红柿中的锌钉和第二个西红柿中的铜线连接起来。然后，在第二个西红柿的锌钉上加入第三根丝。务必记住将西红柿（电池）的铜（正极）端连接到下一个西红柿的锌（负极）端。

3.实践活动

电池工作学习单

1.在下面的空间中画一幅电池的安装图。标记西红柿、电线和灯泡的部件。画箭头表示电流的方向。

2.西红柿如何帮助电路工作？

3.为什么在制造电器时必须了解电路？

4.你设计的电池输出电压是多少？

4.作品分享与评价

1.活动前评估

（1）头脑风暴：小组讨论，让学生参与公开讨论。提醒他们，没有任何想法或建议是“愚蠢的”。所有的意见都应该被尊重地听取。采取不加批判的立场，鼓励大胆的想法，不鼓励对想法的批评。问学生他们能想出多少用电池驱动的东西，并把他们的想法写在黑板上。

（2）快速投票：活动开始前，向全班同学提出一个问题，我们能从水果或蔬菜中获得电能吗？并把他们的答案写在黑板上。

2.活动嵌入式评估

（1）学习单核对检查：让学生单独或两人一组做一个电池练习单。在他们完成后，让他们与一个同学或另一对同学比较答案，给所有学生时间完成作业。

（2）假设问题：如果我们在回路中连续加入更多的西红柿，会发生什么？（回答：一排加更多的西红柿和一排加电池是一样的。把每块西红柿的电压加起来。这样，电路的电压就会增加。另一方面，我们电路的电流不会增加。电流与西红柿的数量无关，而是与每个西红柿的大小有关。）

3、活动后评估

（1）解决问题：向学生展示下列数学问题，并让学生计算每个蔬菜或水果需要多少才能点亮灯泡。

如果一个柠檬能产生1伏的能量，你需要多少个柠檬才能点亮一个2伏的灯泡？（回答：2）

如果一个马铃薯产生0.8伏的能量，你需要多少个马铃薯来点亮一个1.5伏的灯泡？（回答：2）

如果一个马铃薯产生0.8伏的能量，你需要多少个马铃薯来点亮一个3伏的数字时钟？（回答：4）

如果你有一个柠檬能产生1伏的能量，一个苹果能产生1伏的能量，你能点亮一个3伏的时钟吗？（回答：不，你还需要一个柠檬或苹果。）

（2）制图：工程师必须了解电路是如何工作的，才能开发出酷炫的新技术。画一幅你的西红柿电池的图片。标记电池（电压）和电阻（灯泡）。画一个箭头表示电流（从铜端到锌端）。列出两个工程师可以开发的用水果电池驱动的酷产品。

（3）故障排除提示

如果LED时钟、灯或小灯泡不工作，检查西红柿电池的设置。可能不是所有的端子都从负极连接到正极，或者西红柿的电压不够，用万用表或电压表检查西红柿的电压。另一种可能性是有足够的电压，但没有足够的电流来点亮灯泡，这就是为什么建议只使用非常低电压的LED时钟或灯泡。此外，尝试使用更多的西红柿（即5个半块的西红柿），以增强电导率。

尝试不同的LED颜色（例如，蓝色的LED可能比红色的效果更好）。

五、反思与改进

活动结束时，在学生们拆卸西红柿电池之前，让全班同学把他们的水果电池串联起来，做一个更大的西红柿电池，这很有趣。

用不同的水果或蔬菜再次尝试这个活动。很多水果和蔬菜都可以，比如柠檬、酸橙、苹果和胡萝卜等，让学生比较不同水果和蔬菜的表现。

再次使用电解质溶液完成活动，如盐水或醋等，比较不同电解质溶液的性能。

增加一个数学部分，让学生使用万用表来比较几种不同水果的电流以及水果的总使用量。让他们画出结果的图表，并假设发生了什么。

本文系合肥市教育科学“十三五”规划课题《基于STEAM教育理念下高中化学实验教学实践研究》（编号HJG20040）的研究成果

安徽省合肥市第十一中学 232200