基于STEM理念的高中物理電表改裝的實驗設計

曾慶河 盧亞軍 張軼炳 丁龍

摘? ?要：文章將STEM教育理念融入微安表改裝成多量程的電流表和電壓表實驗中，并對該實驗各個環(huán)節(jié)進行理論分析。旨在激發(fā)學生學習物理的興趣，提高學生將科學知識應用于工程實踐的能力，培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)。

關鍵詞：STEM理念;實驗;電表的改裝;物理教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1003-6148（2020）11-0051-4

1? ? 引? 言

STEM教育理念強調(diào)將科學S（Science）、技術(shù)T（Technology）、工程E（Engineering）和數(shù)學M（Mathematics）四個學科相融合，打破學科之間的壁壘，將知識間的聯(lián)系作為教學內(nèi)容組織的原則與依據(jù)，基于真實世界中的問題情境開展教學[1]。物理學作為自然科學的一門重要的分支，肩負著綜合培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)的使命，許多教師都已經(jīng)做了有益的嘗試，具有一定的借鑒意義。例如，提倡開展基于真實問題情境，以工程設計為導向，數(shù)學作為輔助工具，應用學生正在學習的科學知識解決實際問題的STEM課程[2]。

物理實驗涉及到實驗原理、實驗設計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析、形成結(jié)論、評估交流等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)在某種程度上都包含了STEM要素，如果將這些實驗環(huán)節(jié)進行精心設計，可以讓學生在實驗中經(jīng)歷解釋科學原理（S）、應用各類技術(shù)（T）、設計工程方案（E）及構(gòu)建數(shù)學模型（M）過程，從而達到綜合提升學生STEM素養(yǎng)的目的。本文以“電表的改裝”這節(jié)實驗課為例，探討物理實驗教學中滲透STEM理念的教學模式。

2? ? STEM理念的內(nèi)涵及教學理念

STEM理念是指科學、技術(shù)、工程、數(shù)學，但每個概念都有其豐富的內(nèi)涵，這里僅簡要解讀。

2.1? ? STEM的內(nèi)涵及物理學中包含的STEM要素

2.1.1? ? 科學（S）

（1）科學概念：科學是關于探索自然規(guī)律的學問，是人類探索、研究、感悟宇宙萬物變化規(guī)律的知識體系的總稱，是建立在可檢驗的解釋和對客觀事物的形式、組織等進行預測的有序的知識的系統(tǒng)。

（2）物理科學：物理學是科學的一個分支，是研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、物質(zhì)之間的相互作用及其運動規(guī)律的一門學科，是基于觀察與實驗，建構(gòu)物理模型，應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系[3]。

2.1.2? ? 技術(shù)（T）

（1）技術(shù)概念：技術(shù)是指解決具體問題的方法及方法原理，制造產(chǎn)品的系統(tǒng)知識，過程中采用的工藝或提供的服務[4]。

（2）物理實驗中的技術(shù)：做物理實驗的過程也是使用技術(shù)產(chǎn)品解決問題的過程，必須具備使用產(chǎn)品的知識和操作技術(shù)。

2.1.3? ? 工程（E）

（1）工程概念：工程是運用科學知識和技術(shù)手段，將某種設想通過研究、設計、開發(fā)、生產(chǎn)、測試等一系列步驟轉(zhuǎn)化成具有預期使用價值的目標產(chǎn)品的過程。

（2）物理實驗中的工程：工程與技術(shù)的主要區(qū)別是工程是一個項目化的過程，而技術(shù)可以是工程中的一些具體應用。但通常人們也會混合使用這兩個概念[5]。

2.1.4? ? 數(shù)學（M）

（1）數(shù)學及數(shù)學模型：數(shù)學是利用符號語言研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化以及空間等概念的一門學科;數(shù)學模型是針對參照某種事物系統(tǒng)的特征或數(shù)量依存關系，采用數(shù)學語言概括地或近似地表述出的一種數(shù)學結(jié)構(gòu)。數(shù)學的具體概念范疇包括算術(shù)、代數(shù)、函數(shù)、幾何、統(tǒng)計和概率，被廣泛運用于科學、工程和技術(shù)領域。

（2）物理學中的數(shù)學：物理中的數(shù)學主要是實驗中的實驗數(shù)據(jù)處理及數(shù)學模型的構(gòu)建。物理中的各種公式及函數(shù)圖都可以認為是物理中的數(shù)學模型;實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析屬于數(shù)學技能，由實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建出的各種函數(shù)模型、推理出的物理公式可以說屬于數(shù)學建模。

2.2? ? STEM教育理念

STEM教育理念通過一個項目展開學習，以學生為主體，以四個要素相互融合為主線，在教師的整體把握和指導下，強調(diào)學生主動參與，提高學生綜合利用科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四方面知識與技能，培養(yǎng)學生有效解決問題的能力。

3? ? 物理探究實驗中的STEM應用

3.1? ? 探究實驗各個環(huán)節(jié)中的STEM滲透

STEM應用模式多種多樣，本文中結(jié)合我國課標和NGSS科學探究的八個環(huán)節(jié)設計探究實驗，八個環(huán)節(jié)要求如下：①提出問題并定義問題;②建立與專題相關的物理模型;③寫出專題的設計原理和工作機制;④分析數(shù)據(jù)，解釋數(shù)據(jù);⑤運用數(shù)學和計算思維，構(gòu)建數(shù)學模型;⑥應用物理原理解釋現(xiàn)象，設計新方案;⑦根據(jù)證據(jù)進行討論;⑧獲取、評估和交流信息[6]。以高中物理“電表的改裝”的教學為例，在過程中滲透STEM各要素（教學流程如圖 1所示），探討其在物理實驗環(huán)節(jié)中的應用。

上述流程圖體現(xiàn)了科學探究八個步驟與STEM四個要素的滲透關系?？茖W要素在八個環(huán)節(jié)都有不同程度的體現(xiàn)，工程、技術(shù)、數(shù)學要素分別體現(xiàn)在各個環(huán)節(jié)。在“電表的改裝”實驗中進行四個要素的整合非常明顯，該實驗要求學生掌握科學原理，熟練地進行數(shù)學計算，學會設計電路圖，選擇適當?shù)膶嶒炂鞑?，最終經(jīng)過工程實踐完成改裝過程。

3.2? ? 電表改裝探究實驗中的STEM

3.2.1? ? 提出問題并定義問題（S）

學生已經(jīng)學習了串并聯(lián)電路的原理，知道串聯(lián)電阻分壓，并聯(lián)電阻分流。也使用過實驗室的電壓表和電流表，知道每個電壓表和電流表都是有量程的。

讓學生認識到：當實驗室的電流表和電壓表量程太小無法滿足測量要求時怎么處理？產(chǎn)生認知需要，再引導學生思考能否通過串聯(lián)或者并聯(lián)電阻來對電壓表或電流表進行改裝擴容。在使學生產(chǎn)生對電表進行改裝的想法后，引導學生思考并解決以下問題：①電表的工作原理是什么？②如何根據(jù)要求選擇儀器，設計電路？③如何進行實驗與校準？問題的提出和定義是解決問題的第一步，緊接著是引導學生科學地理解問題，找到解決問題的方向，在這個過程中滲透科學要素。

3.2.2? ? 弄清楚電表的工作機制和改裝原理（S、M）

常用的電壓表和電流表都是由小量程的電流表（表頭） 改裝而成的。表頭的工作原理涉及磁場對通電導線的作用。從電路的角度看，表頭就是一個電阻，表頭的電流可以從刻度盤上讀出來。改裝的原理是基于串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流的特點。理解原理是學習的基礎，在科學、邏輯清晰地闡述原理的過程中體現(xiàn)了STEM教育理念中科學要素在實際教學中的應用。

（1）電路設計

圖 2是改裝大量程電壓表的電路圖，表頭 和一個分壓電阻串聯(lián)組成一個整體，它相當于一個改裝的電壓表，電壓表 作為校準的電壓表并聯(lián)在電路中與改裝后的電壓表作對比。圖 3是改裝大量程電流表的電路圖。表頭 和一個分流電阻并聯(lián)成一個整體，作用相當于一個改裝的電流表，電流表 作為校準的電流表串聯(lián)在電路中與改裝后的電流表作對比。引導學生對兩個電路圖進行分析，不難掌握電表的改裝原理。

（2）電阻的推導

物理學的數(shù)據(jù)處理離不開數(shù)學的計算，在電表的改裝中，運用數(shù)學公式計算電路所需電阻的阻值尤為重要。在電壓表的改裝中（圖 2），分壓電阻R的計算公式為：

R=（ -1）Rg（1）

而在電流表的改裝中（圖 3），分流電阻R的計算方式為：

R= = （2）

計算所需電阻是選擇器材的前提，在原理的講解和公式的推導中滲透科學、數(shù)學要素。

3.2.3? ? 設計電表改裝實驗的電路圖（S、T、E）

（1）設計前分析

在進行電壓表或電流表的改裝實驗前，引導學生發(fā)現(xiàn)單次連接電路僅能滿足一次實驗要求，造成實驗過程麻煩，電路連接復雜，改變測量對象時轉(zhuǎn)換不便?？紤]到學生電源、變阻箱和滑動變阻器等器件較大，導線連接復雜，最終用途僅實現(xiàn)一個量程的電壓表改裝等問題，教師引導學生對比兩個電路圖，思考能否通過簡化電路設計出新的實驗電路圖。將兩個電路圖進行對比，經(jīng)過工程設計，實驗電路圖如圖 4所示。

（2）設計電路圖

圖 4中矩形框a和b表示根據(jù)實驗改裝的需要在框位置處放置所需實驗儀器。如在進行電壓表的改裝中，將所需串聯(lián)電阻放在框b中，斷開開關S1，將校準的電壓表（圖5A）放置在框a中，閉合開關S2，實現(xiàn)電壓表的改裝。同理，在進行電流表的改裝實驗中，將所需并聯(lián)電阻放在框a中，閉合開關S1，將校準的電流表（圖5B）放置在框b中，斷開開關S2，實現(xiàn)電流表的改裝。在這個電路設計中，學生只需通過控制a、b框中實驗器材的選擇和擺放，就可將改裝電流表和電壓表用一個電路圖實現(xiàn)。線路連接簡單、思路清晰、操作方便是它的優(yōu)點。

學會整合電路，將電壓表和電流表電路整合成一個電路圖是理解和使用萬用電表的基礎。萬用電表是一種可用來測量直流電流、直流電壓、交變電流、交變電壓以及電阻等的多功能儀表。其原理就是對測量電路的整合，實現(xiàn)不同量程的測量。學會電表的改裝，最終目的是為了讓學生學會萬用電表的制作原理和使用方法。

3.2.4? ? 計算實驗數(shù)據(jù)、選擇器材（S、T、E、M）

（1）實驗數(shù)據(jù)的計算

在本次實驗中，需對量程為1 mA的微安表進行改裝，表頭內(nèi)阻Rg為144.6 Ω。如需將此微安表改裝成量程為0～3 V的電壓表，根據(jù)公式（1）代入數(shù)據(jù)引導學生計算出所需串聯(lián)的電阻R1阻值為2855.4 Ω（圖 5C）。同理，將量程為1 mA的微安表改裝成量程為0～0.6 A的電流表，根據(jù)公式（2）代入數(shù)據(jù)計算需并聯(lián)的電阻R2阻值為0.24 Ω（圖 5D）。引導學生了解電表的相關參數(shù)和改裝量程，計算串并聯(lián)電阻的阻值，在過程中體會數(shù)學的應用。

（2）實驗器材的選擇

計算得出實驗所需電阻后，給學生提供器材，引導學生根據(jù)需要進行電阻組合。相對于滑動變阻器體型大、精確度低，教師提供的水泥電阻，其優(yōu)點是體積小、可選量程多、連接方便。教師指導學生學會分析器材的優(yōu)缺點，根據(jù)需要選擇合適的器材，培養(yǎng)學生的技術(shù)能力和工程實踐能力。

3.2.5? ? 連接電路，進行實驗（S、T、E、M）

指導學生經(jīng)過工程設計和實踐制造實驗電路板，進行實驗操作。讓學生在進行實驗的同時，鍛煉學生動手操作的能力和做實驗的工程技術(shù)水平。實驗電路板如圖 6所示。

如圖 7所示，電源E的電壓為1.5 V，R是可變電位器，阻值為0～2000 Ω，其功能為保護表頭的同時使電壓表量程從0開始連續(xù)變化到滿偏。如將1 mA的磁電式毫安表改裝成量程為0～3 V的電壓表，將電阻R（圖 5C）放于b處，校準的電壓表（圖 5A）放在a處，再斷開開關S1，閉合開關S2，實現(xiàn)電壓表的改裝。

同理，將1 mA的磁電式毫安表改裝成量程為0～0.6 A的電流表，將電阻R（圖 5D）放于a處，校準的電流表（圖 5B）放在b處，再斷開開關S2，閉合開關S1，實現(xiàn)電壓表的改裝。指導學生進行實驗，記錄數(shù)據(jù)，讓學生學會處理實驗過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題，掌握規(guī)范的實驗方法與步驟。

3.2.6? ? 電表校準，改進實驗（S、T、E、M）

改裝后，學生發(fā)現(xiàn)電壓表（或電流表）的示數(shù)在進行測試的時候可能與實際電壓（或電流）不匹配，此時應指導學生進行電表的校準。電表的校準是電表改裝中的重要一環(huán)，校準的目的是評定該表在擴大量程或改裝后是否仍符合原電表的準確等級。校準時繪制表格記錄數(shù)據(jù)，繪制校準曲線，確定電表等級，計算不確定度。數(shù)學模型的應用在這個環(huán)節(jié)尤為重要，同時也需要科學知識的支持和工程技術(shù)的實現(xiàn)。

3.2.7? ? 誤差分析（S、T、E、M）

誤差分析是本實驗中一個很重要的環(huán)節(jié)，實驗誤差的分析應結(jié)合具體實驗電路進行分析，教師引導學生進行討論總結(jié)，歸納出主要出現(xiàn)誤差的幾個方面：小量程電流表的參數(shù)不標準或指針擺動不標準;串并聯(lián)電阻的計算值與實際儀器的阻值不匹配;實驗其他儀器老舊造成的不標準等。誤差分析能力不止是數(shù)學問題，更是科學、技術(shù)問題，甚至涉及到工程設計問題，引導學生圍繞出現(xiàn)實驗誤差的原因展開討論與探究至關重要。

3.2.8? ? 匯報交流（S、T、E、M）

匯報交流是學生將這個實驗設計、實驗過程、實驗結(jié)論與同學進行交流的過程，是模擬科學家作學術(shù)報告的過程，所以涉及了STEM的所有要素，需要在最短的時間里將本組或者自己的實驗思想呈現(xiàn)出來，是對學生學術(shù)報告撰寫能力的考驗，呈現(xiàn)形式可以是PPT展示，也可以進行實物展示。

4? ? 結(jié)? 語

STEM理念在科學探究性實驗的滲透尤為重要，促進核心素養(yǎng)的實現(xiàn)，培養(yǎng)綜合性人才。本案例采用實驗探究的方式，激發(fā)學生的學習興趣，充分調(diào)動學生學習的自主性。基于STEM理念中的科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四個方面的綜合應用展開實驗，在實施教學中利用實驗儀器在物理課堂中實現(xiàn)STEM理念的滲透。最終的目標是通過滲透STEM理念，讓學生根據(jù)科學原理設計工程實驗方案、電路圖，將數(shù)學、技術(shù)貫穿工程實踐當中，實現(xiàn)電表的改裝，最終能掌握萬用電表的原理甚至制造萬用電表。

參考文獻：

[1]陳曉慧，徐彬，張哲，Jennifer Jing Zhao.STEM教育研究與實踐的理念與路徑——訪不列顛哥倫比亞大學科學教育專家Samson Nashon教授[J].中國電化教育，2019（4）：1-4，22.

[2]曹陽，張軼炳，蘇義梅.STEM視野下中英物理教材對比——以“動量和動量定理”為例[J].物理教師，2019，40（10）：74-78.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1-2.

[4]趙中建.美國STEM教育政策進展[M].上海：上海科技教育出版社，2015：189.

[5]謝麗，李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師，2017，38（4）：2-4.

[6]NGSS Lead States. Next Generation Science Standards，Volume 2： Appendixes[M].? Washington，D.C：The National Academies Press，2014：48-50.

（欄目編輯? ? 王柏廬）