設(shè)計并制作“星星點(diǎn)燈”

我?guī)淼恼n題是一個來自生活的項(xiàng)目。我先給大家播放一段小視頻（播放視頻），視頻中調(diào)整燈的亮暗的需求來源于一個生活的場景。我們以這樣一個需求作為我們的研究方向，即制作一個夜晚自動點(diǎn)亮、晚上自動熄滅的神奇小燈。我們還給這個課題起了一個漂亮的名字——星星點(diǎn)燈。

課題確定以后，如何實(shí)現(xiàn)我們的方案呢？在這個過程當(dāng)中，學(xué)生又會用到哪些知識和技能呢？

為了使探究活動能夠順利進(jìn)行，我們設(shè)計了一個小環(huán)節(jié)，即通過制作一個“簡易的調(diào)光燈”，讓學(xué)生了解在其中涉及的電子控制技術(shù)，這樣間接地學(xué)習(xí)了“一個簡易燈的電路圖”的知識。

學(xué)生們首先遇到的一個非常重要的元器件就是三極管，那么三極管是什么？它到底有什么作用？我們通過一個小的教學(xué)視頻來展示（如圖1）。

學(xué)生們通過小視頻了解到，三極管的三個極中有一個極是控制極，它微小的變化可以控制很大的電流通過。接下來，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生回過頭去學(xué)習(xí)調(diào)光電路的電路圖，分析“如果把這個電路的電源開關(guān)合上之后，這盞燈能不能瞬間點(diǎn)亮”。

學(xué)生根據(jù)剛才看到的視頻，知道三極管有一定的控制作用，要想讓這盞燈點(diǎn)亮，則必須控制B極。通過它的電壓變化，使得在它和C之間有一個較大的電流通過，因此在這個通路上的發(fā)光二極管就可以被點(diǎn)亮。

那么，我們控制的究竟是什么呢？通過調(diào)整可變電路，我們實(shí)際上是取得了一個Rp下面的增壓，通過這個增壓來獲取整個電路的通與斷，或者它電流的大與小。在這里，有一個最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)就是0.6伏，因?yàn)?.6伏是門檻電壓。

如何讓小學(xué)階段的學(xué)生理解“0.6伏是門檻電壓”呢？我們一般通過儀表測量，讓學(xué)生了解到這樣一個數(shù)據(jù)，中學(xué)階段則可以讓學(xué)生通過計算來得到這個數(shù)值。

有學(xué)生可能會問：“我用普通開關(guān)就可以控制電路，為什么要加入一個三極管，把事情變復(fù)雜呢？”我告訴他，因?yàn)槿龢O管最大的特點(diǎn)就是，可以用很小的信號來控制很大的電流。在未來的自動控制當(dāng)中，像冰箱里的溫控電路，熱水器的溫控電路，走廊中的聲控電路以及光控電路等，就是用這些微小的信號來實(shí)現(xiàn)電路控制的。那么，三極管的控制能力就為我們實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)提供了保證。

我給學(xué)生播放上一屆孩子做的一個小視頻（如圖2）。在視頻中，通過調(diào)整可變電阻，燈光由很明亮逐漸減弱，最后關(guān)閉。學(xué)生們通過觀看視頻，感受到三極管的控制原理。

圖2 三極管的控制原理視頻截圖

在了解了這些知識之后，學(xué)生開始自己動手制作。在制作的過程中，我要求他們思考：電阻的變化會使得發(fā)光二極管發(fā)生什么樣的變化？需要調(diào)整哪些變量，才能達(dá)到這一目的？

當(dāng)學(xué)生們把這個電路做完之后，再回到問題的初始：如何讓燈在黑天自動點(diǎn)亮、白天自動熄滅？學(xué)生發(fā)現(xiàn)，要把白天和黑夜作為控制電路的一個條件。

那么，怎樣實(shí)現(xiàn)這樣的控制？此時我引入一個新知識——光傳感器，并重點(diǎn)向?qū)W生介紹了光敏電阻的原理：隨著光照的明暗不同，光敏電阻的電阻大小會發(fā)生變化。光照強(qiáng)時，電阻很??；光照弱甚至無光時，電阻就很大。因此將它作為傳感器加入電路當(dāng)中，就可以起到自動控制的作用。

學(xué)生通過制作電路，對三極管的控制原理有了深刻的理解，再加上對光傳感器原理的了解，學(xué)生就具有了一定的知識準(zhǔn)備，可以根據(jù)我所提供的知識，或者上網(wǎng)查找更多的資料，來自己設(shè)計一個夜晚自動點(diǎn)亮、白天自動熄滅的小燈。

在完成了這些前期的小實(shí)驗(yàn)之后，我就讓學(xué)生分組開展頭腦風(fēng)暴，討論自己的設(shè)計方案。學(xué)生兩三個人一個小組，討論完后要繪制出一個電路圖，表明自己要做一個什么樣的電路以及這個電路可以達(dá)到什么樣的效果。

當(dāng)制作完電路圖以后，學(xué)生要在全班發(fā)表和討論。老師也加入到討論中來。學(xué)生在討論過程中對自己的方案進(jìn)行修改，然后開始實(shí)際制作這個電路。我為學(xué)生準(zhǔn)備了制作材料：5V電池（多功能電子實(shí)驗(yàn)盒）；10kΩ電阻、100kΩ、200Ω電阻；光敏電阻（光控開關(guān)）；三極管（9013）；發(fā)光二極管（LED）；面包板和導(dǎo)線。

在準(zhǔn)備材料的過程當(dāng)中，我會在電路安全范圍內(nèi)為學(xué)生多準(zhǔn)備出一些導(dǎo)線。這樣可以讓學(xué)生在調(diào)試過程中充分體會到，不同的電路會得到不同的升壓，因此產(chǎn)生的效果，如靈敏度、范圍等會有變化。學(xué)生可以根據(jù)這些變化做一個測量表，將每次換電阻的情況進(jìn)行記錄，哪些調(diào)整得好，哪些比較寬泛等做一個對比，形成一個最終的方案，并完成制作。

當(dāng)學(xué)生完成電路的制作之后，我再啟發(fā)他們對自己的作品進(jìn)行外觀設(shè)計。這樣，學(xué)生們就可以利用準(zhǔn)備好的廢棄的紙盒、吸管、折紙等，為自己的電路做一個美麗的外觀，并在全班展示。

圖3是學(xué)生們展示的作品成果。有的學(xué)生用水杯和吸管，做一個非常簡潔、效果又很好的吸管燈，有的學(xué)生做成了牛頭燈，有的做成了夜晚自動點(diǎn)亮的圣誕小屋作品。學(xué)生們笑容滿面的神態(tài)告訴我，他們對這個課非常喜愛，通過自己親手制作，也加深了對電路的理解和外觀的設(shè)計。

這就是整個教學(xué)過程。跟以往教學(xué)不同的是，過去教師可能會給大家講解完知識，再帶著大家做一個電路就算結(jié)束了?，F(xiàn)在我應(yīng)用STEM教學(xué)理念，用任務(wù)驅(qū)動開始設(shè)立一個主題，這個主題一定是來自于生活的，然后學(xué)生研究問題、設(shè)計方案、修改方案，最后呈現(xiàn)。在這個過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)到了三極管控制原理、光傳感器等科學(xué)知識，然后運(yùn)用電子控制技術(shù)來完成作品，實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)。其中，還有學(xué)生對數(shù)據(jù)的測量采集，根據(jù)數(shù)據(jù)精確地制作出完美的作品。

專家點(diǎn)評

董宏建（北京理工大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院教育技術(shù)研究所副教授）：“星星點(diǎn)燈”教學(xué)比較好地融入了STEM教育所倡導(dǎo)的項(xiàng)目教學(xué)方式。項(xiàng)目的來源是生活當(dāng)中遇到的問題，并且教師將“如何解決這個問題”貫穿到課堂的始末。這個案例也從三個方面體現(xiàn)了STEM的特點(diǎn)：一是課程設(shè)計實(shí)現(xiàn)了STEM課程的有效融合，二是將抽象的書本知識與現(xiàn)實(shí)生活的情景相結(jié)合，三是在整節(jié)課的設(shè)計過程當(dāng)中讓學(xué)生去動手和實(shí)踐操作，這充分調(diào)動了學(xué)生探究整體解決方案的積極性，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。希望更多的中國老師將來源于生活的問題與學(xué)科融合起來開展STEM教學(xué)。當(dāng)然，這個案例也有我認(rèn)為可以進(jìn)一步交流之處。在成皓老師的整個介紹里，科學(xué)知識所占的比重比較大，數(shù)學(xué)知識的運(yùn)用體現(xiàn)得少了點(diǎn)，如果能夠把這個項(xiàng)目涉及的四個學(xué)科運(yùn)用得更融合，會更加體現(xiàn)STEM教育的特點(diǎn)。