STEM教育模式下的自组装“光纤通信”实验研究

陈旭燕 程敏熙

关键词：STEM教育：自组装实验：光纤通信：探究式教学

STEM教育理念强调在教学中创设贴近生产和生活的情境，通过融入科学、技术、工程、数学等不同领域学科交叉的知识，引导学生学会融合和运用知识，提高学生解决实际问题的能力以及动手操作的实践能力。在教学中融人STEM教育，可改进传统探究性教学流于形式的模式，引导学生主动寻找现实生活中问题的解决办法，提升应用的能力，构建学生白身的知识体系，实现探究式实验教学。

利用白组装探究式实验仪来开展教学能够将不同维度的教学目标进行充分融合，落实物理核心素养，提高高中物理教学质量。因此，本文介绍白组装“光纤通信”演示仪的原理及作用，并基于工程问题开展探究式教学设计，进而阐述STEM教育理念与之相结合的具体体现。

1自组装“光纤通信”可视化实验装置介绍

1.1实验设计思想

光導纤维指使光以波导方式进行传输的纤维状光学介质材料，简称光纤。光纤通信技术是光导纤维通信的简称，指利用以光波为载频、光导纤维为传输媒介的一种通信方式。华裔物理学家高锟于1966年第一个提出用光纤进行远距离通信，成功实现利用光进行远距离通信。光纤通信的光缆连接了世界的各个角落，影响着人们生活的方方面面，随着时间的推进我国光纤通信技术取得了长足的发展和广泛的应用，在我国的通信领域占据着越来越重要的位置。同时，“光纤通信”实验也是STEM课程的内容之一。

但光纤传输的过程往往是以描述性方式进行介绍的，学生无法直接用眼睛观测到，教材中也仅仅是通过语言来简单描述光纤通信的原理。物理学是一门实验科学，是建立在物理现象、物理事实、物理过程的感知基础上，语言描述不能替代对现象和事实的直接感知，学生会觉得抽象、晦涩难懂。由阿恩海姆的视觉思维理论可知，在教学中如果充分利用可视化的工具和资源来刺激学生的大脑，调动视觉思维，加强直观教学.增加学生的感知，能使学生对知识有一个更好的理解，提高学生学习的兴趣，体现了物理教学的直观性原则。

本文基于实验教具可视化的原则，让学生白己组装和制作“光纤通信”演示仪，进行仪器的搭建组合、制作加工，增加演示实验过程的可操作性，将“看不见”的光信号传输转化为全程可视化的声音信号和图像信号，有效突破“光在光纤中如何携带信息进行传递”的教学难点，真正让学生深入理解光纤通信的实质，拉近学生与生活、科技之间的距离。

1.2光导纤维传输光束的原理

实验中激光的传导媒介为光导纤维，光导纤维由折射率较大（ni）的纤芯、折射率较小（n2）的包层和涂覆层三部分组成。当光束以一定入射角i射人光纤界面时，在介质分界面上会发生折射，当入射角i增大到某一角度i：时，折射角等于90。，折射光线消失，入射光线不再进入包层介质，发生全反射，此时的入射角：称为临界角。当i继续增大时，仍发生全反射，故光在光导纤维中沿光纤的轴向前传播，不从周围射出，达到传输光束的目的，如图1所示。

1.3“光纤通信”实验系统设计原理

“光纤通信”实验结构系统由三部分组成，分别为用于调制信号光源的发射端、传导媒介和调解信号光波的接收端。激光发射端将MP3、手机等媒体设备音频输出产生的电信号经调制后驱动LED调制电路，产生携带音频信号的红激光：传导媒介用于传导LED发射出的红激光，本实验系统采用的传导媒介为光导纤维;激光接收端是经光信号调解电路和功率放大电路将LED发出的红激光中携带的音频信号分离，还原成声音，最后经过解调后将音频信号放大，驱动扬声器产生声音，以实现声音还原，完成信号的传输。原理框图如图2所示。

1.3.1发射模块

图3为激光发射模块，Mic（驻极体话筒或音频输入接口）传人的信号经过前置放大电路经三极管Q1放大电流电压后，将声信号调制到电路中形成电信号，再经过后置放大电路经三极管Q2（S8050）放大电流驱动LED激光发送器，发出携带声电信号的激光，完成音频信号向光信号的转换过程。

1.3.2接收模块

图4为激光接收模块，为使接收模块能够将激光携带的声电信号进行解调、放大和实现较高保真性的还原，本实验接收模块采用的是光敏二极管接收管D2.用于接收激光发射器携带着声电信息的光信号，当被音频信号调制的激光照射到D2时，在其两端产生一个随音频信号变化的电信号，并通过音频放大芯片LM386，音频被放大输出信号，放大倍数的调节由芯片1、8脚之间的电容C2来实现，进而驱动扬声器发声，实现激光中携带的声音信号还原成声音的过程。

2实验系统的制作与安装调试

2.1材料准备

根据以上设计思路，为了达到实验可视化的功能，“光纤通信”演示仪所需要的材料有：手机（或MP3）、音箱、光导纤维、激光发射模块、激光接收模块、9V电池、音频数据线、水平直线移动支架等。本实验系统所需要的主要电子元件材料及参量如表1所示，将电子元件与图3和图4电路图对应，在电路板上进行焊接，完成发射模块和接收模块的制作。

2.2组装仪器与基于STEM教育模式的探究式教学设计

2.2.1组装仪器

按电路图将电子元件连接在PCB电路板上，组装后接上9V的电池进行检测，检测发射模块和接收模块能否正常工作;输入音频信号后检测发射模块输出端LED能否正常发光，排除在电子元件组装过程中存在的接触不良、元件损坏等故障问题。

2.2.2基于STEM教育模式的“光纤通信”探究式教学设计

（1）演示现象，提出工程问题

演示现象：声信号是现代通信中一种重要信号，但只有光能够在光导纤维中传播，想要利用光导纤维达到传声的效果，则需要有能够将声信号转化为光信号的转换装置。而电信号是声光转换的中介，可以将手机声音中的电信号经过激光发射仪转换为光信号，光信号携带着声音信息进行传递，经过激光接收仪转换为电信号，进而从音箱中播放出声音，示意图如图5所示。

教师连接实验仪器进行演示：手机和激光发射仪相连，音箱和激光接收仪相连，打开手机播放器、激光发射仪和音箱的开关等，在光传输的过程中没有任何数据线相连，却能够播放出歌曲来。

提出工程问题：演示实验中能够确保激光沿直线传播，使激光接收仪顺利接收到光信号。可是在现实生活中，光传播的过程中容易受到建筑物的阻挡、天气和其他电磁的干扰等，使得声信号的接收受到了阻碍。如果你是工程师，应该如何设计实验装置来消除这种不利因素的影响呢？

（2）提出猜想，进行实验验证

提出猜想（在教学过程中分组进行猜想和设计方案）：

小组1：如果我是丁程师，我们会考虑让光绕过障碍物来改变光路方向，以前学过光经过平面镜能够发生反射，所以此时可以让激光反射后进人接收仪，就能解决了。如图6所示。

小组2：发生反射虽然也能够改变光路的方向，可是需要调整好各个角度才能满足条件，实际操作起来非常不方便。我们想到了更好的办法，激光在光导纤维中会发生全反射，直接绕过障碍物，光便会从一端按指定方向传到另一端，并且不会发生泄漏，就能让声音重新播放了，如图7、图8所示。

進行实验验证：教师邀请两组学生上台对猜想进行实验验证。学生利用平面镜、光导纤维进行操作，当平面镜调整好角度、光导纤维分别对准发射端和接收端后，都能听到声音重新播放，但从实验操作的便捷性、稳定性来看，小组2的实验方案更佳。

（3）类比迁移，学以致用

提出工程问题：在现实生活中，信号的传递不仅会受到障碍物的影响，而且往往需要进行远距离的传输，但是信号就会发生衰减。在实际过程中应该如何解决这个问题呢？调整激光发射模块和激光接收模块所在支架之间的距离，使距离越来越远时（模拟现实生活中远距离传输信号中信号衰减的过程），仔细辨认声音大小的变化，可以听到音乐声随着距离的增加变得越来越小。

学以致用：学生听到声音信号减弱。利用前面的光导纤维就能够防止信号发生泄漏。如果在远距离传输过程中，采用一根更长的光导纤维进行连接，声音就不会随着距离发生变化了。通过实验发现利用更长的光导纤维确实能够使音量恢复到原来的大小，如图9、图10所示。

（4）拓展提升，制作模型

拓展提升：光纤通信能够传输载有声音、图像以及各种数字信号的光，实现了声音信号的传输，能否利用光导纤维设计实验来传输图像呢？学生动脑设计方案，图像的传输需要点与点之间一一对应，如果将光导纤维聚集成束，制成光纤桥即光缆，并且相对位置保持一致，就能够传输图像了。

制作模型：学生利用实验材料（光导纤维、胶水、剪刀、带孔板、心形LED灯等）分组进行制作，移动心形LED灯，就可以在光纤桥的另一端观察到同样的心形图像，多媒体动画模拟如图11所示，实验实物图如图12所示。

3STEM教育理念的体现

陶行知先生说过：“先生的责任不在教，而在教学，而在教学生学。”怎样才能有效地引导学生主动发现物理问题，并能通过对实验进行分析、推理、归纳从而获得相应的知识呢？白组装实验演示仪能融合STEM教育的不同教学目标，通过设置富有情境的探究任务，让学生明确教学目标，在问题的生成、解决、再生成的过程中制作“光纤通信”演示仪，真正实现探究式教学，实验教学过程中STEM教育理念得以充分展示。

首先是科学（S）：在实验演示仪的设计中，以一种重要的光纤技术——光纤通信的电路作为实验主体部分，以传导媒介——光导纤维作为实验辅助部分，通过可视化的思想和形式将光在光导纤维中发生全反射的过程呈现在学生面前。在实验演示仪演示的过程中，可以引导学生思考如何让光方便地绕过障碍物又能做到信号不衰减的问题，让学生知道光纤的工作原理和光纤通信的丁作过程，通过此方式既能让学生更好地理解光的全反射现象以及产生的条件，强化了科学基础（S），同时又能让学生运用知识去解决实际的物理问题，提高学生学习物理的兴趣。

其次是技术（T）：物理是一门以实验为基础的学科，工程问题离不开动手操作，在此实验仪制作的过程中，要求学生能够理解实验电路的原理图，能够独立地将发射模块和接收模块装上支架，连接好各个部分的仪器并进行实验操作。对于动手能力较强的学生，教师可以指导他们按照电路图焊接元件，完成发射模块和接收模块的制作。同时，除了利用光纤来传输声音外，还应更全面地发挥其应用的广泛性，通过制作光纤桥来传输图像。让学生在亲白动手操作和分组实验的过程中，将自己设计的实验方案通过模型得以实现和验证，提升了技术（T）的能力，从而更好地体验STEM教育模式的乐趣，进而培养学生发现问题并通过独立思考解决问题的科学态度，逐步形成严谨的科学思维模式。

然后是工程（E）：教学越来越重视科学知识与实际生产生活和时代发展相结合，本实验演示仪模拟了现实生活中光纤通信技术的过程。让学生分组进行大胆猜想，教师适时给予指导，引导探究方向。学生提出想法后，教师不会马上介入，而是让学生自己进行实验进而分析利弊，最终得出最佳方案，同时也经历了科学探究的过程。在这个过程中，通过问题串的方式引导学生从工程师的角度换位思考：如果我是工程师，该如何设计和改进实验演示仪呢？逐步将学生引导至光纤通信这一工程问题（E）的思考角度，找到解决问题的方案，让学生体会物理知识与现代工程技术的密切结合，培养学生学习物理的兴趣和社会责任感。

最后是数学（M）：

江苏省2020年的一道高考题：我国的光纤通信技术处于世界领先水平。光纤内芯（内层玻璃）的折射率比外套（外层玻璃）的____（选填“大”或“小”）。某种光纤的内芯在空气中全反射的临界角为43。，则该内芯的折射率为____。

由这道题可以看出，题目考查了光的全反射的计算公式，并要求对光纤通信技术要有基本的了解，而利用本文设计的“光纤通信”演示仪能够引导学生通过对光导纤维发生全反射的临界角进行数学计算以及画全反射的光路图来定量分析光导纤维的工作原理，强化了学生的定量计算能力和作图能力（M），进而能够顺利解决此类高考题。不仅让学生能够更深入地理解光发生全反射的现象和产生的条件，同时通过实验仪介绍光纤通信技术的原理与应用，还能让学生体验科学探究的过程，拓宽学生的视野。

4实用效果与总结

在利用“光纤通信”演示仪进行STEM教育模式的探究过程中，在原有科学知识为核心的基础上，注重数学工具的应用，并结合现代技术和前沿科技发展动态，引导学生将物理与科学、技术、工程及数学等学科进行深度整合，设计了STEM课堂教学常用的四个模块，流程如图13所示。

以光导纤维作为导光载体，借助激光发出的可见光传递声电信号以及传输图像，清晰地展示了光纤通信中光在光导纤维中的传导过程和利用光携带声音、图像信息传输的可视化双重过程，弥补了当前物理教学中存在的不足，通过实验演示仪能让学生更直观、形象、深入地研究光纤通信的实质。而光导纤维还有很多应用，例如内窥镜，有输送光线、传导图像的本领：同时还可以与敏感元件组合或利用本身的特性做成各种传感器，测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等，在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。教师也可以对其进行课外拓展。

同时，实验系统选取的材料（例如手机、MP3等）来源于学生熟悉的生活，取材简便，同时元件材料的成本低廉，学生可以在教师的指导下完成STEM实践课题，从物理核心素养的视角进行STEM课程的设计和实验的实施，注重学生的自主性，将STEM教育理念与白组装探究式“光纤通信”演示仪进行深度融合，激发学生学习物理的兴趣，从科学、技术、工程及数学4个方面有效培养学生的科学创新精神和动手实践的综合能力。