STEAM教育項目教學案例

姚海遠

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：（2021）-08-147

一、案例研發(fā)（開發(fā)）描述

1、學生們使用西紅柿照亮LED時鐘（或燈泡），使他們了解電池如何在簡單的電路中工作以及化學能如何變?yōu)殡娔?。隨著他們更多地了解電能，他們更好地理解電壓，電流和電阻的概念。

2、使用自己在化學和物理學科中學習到的知識，設計一個西紅柿電池。

課程基本信息

年級：高中一年級

課時：2課時

團隊規(guī)模：4人

學科領域：科學、物理、化學、工程、藝術、數(shù)學

2、案例實施目標

科學目標：利用多種能源發(fā)電、儲存能力

物理目標：電路圖、電能、電壓、電流以及萬用表的使用等;

化學目標：將化學能轉(zhuǎn)化成電能的反應，電池的工作原理以及導電溶液的選擇等;

工程目標：完成電路圖連接，電池的工程設計，滿足應用需求、改進測試;

藝術目標：利用水果設計水果電池并繪制設計圖;

數(shù)學目標：電壓計算、電流公式等，培養(yǎng)學生的跨學科能力，通過實際操作促進知識的理解和遷移。

三、教學實施條件（準備）

STEAM教室、3個西紅柿（新鮮）、3個銅硬幣（或銅條，保證每個西紅柿一個）、3個鋅釘（這些是鍍鋅釘，可在五金店買到或是鋅皮）、5根絕緣電線（長15-20厘米，且末端有鱷魚夾）、1個低電流的發(fā)光二極管（LED時鐘，或LCD時鐘（需要-1.5伏），或一個小LED）、萬用表或電壓表（萬用表測量電路的電流，電壓和電阻），小刀

四、教學過程設計

1.問題提出

我們用電池為電器供電。電池通過向電子提供可以在其中移動的溶液來工作。你有沒有注意到有些電池的銅端是正極（用加號（+）表示）而另一端是負極（用負號（-）表示）？鋅是一種喜歡將電子提供給銅的金屬。通常，鋅只是將其電子提供給銅，然后過程停止。但是，如果你給電子提供一種溶液（稱為電解質(zhì)））幫助他們移動到銅線上，然后給電子提供一條

線，使銅線可以從銅線移回鋅線，產(chǎn)生電路和電能流動路徑。（注意：常規(guī)電流從正極流向負極，因此從銅線，通過導線回流到鋅線。電子實際上從負極流向正極。）

2.方案設計

學生以團隊為單位，在活動開始之前了解課程背景并收集材料，完成“電池工作學習單”，小組合作利用西紅柿發(fā)電使LED燈亮起來。

課程步驟

1.將班級分成兩個或三個學生的團隊。分發(fā)材料。

2.指導小組將鋅片和銅片小心地放入西紅柿中。確保西紅柿中兩種不同的金屬不相互接觸

3.將一個鱷魚夾連接到從伸出的銅片的末端，將另一個鱷魚夾連接到鋅片的末端，從西紅柿伸出。

4.將萬用表設置為低電壓“直流電壓”和電流“直流毫安”，這樣學生就可以看到一個西紅柿可以產(chǎn)生的電荷。預計馬鈴薯產(chǎn)量不到1伏。鼓勵學生將萬用表的十進制讀數(shù)轉(zhuǎn)換為分數(shù)（例如，0.82伏= 82/100伏）。

5.讓學生弄清楚他們需要多少西紅柿點亮他們的LED時鐘（或時鐘）。例如，如果他們的西紅柿產(chǎn)生0.8伏的電壓，那么他們可能需要兩個西紅柿來為1.5伏電壓供電。

6.讓學生嘗試弄清楚如何將兩個西紅柿連在一起。要將兩個西紅柿串聯(lián)起來（以增加更多電壓），將一分錢和釘子放入第二個馬西紅柿中，并將第一個西紅柿中的鋅釘和第二個西紅柿中的銅線連接起來。然后，在第二個西紅柿的鋅釘上加入第三根絲。務必記住將西紅柿（電池）的銅（正極）端連接到下一個西紅柿的鋅（負極）端。

3.實踐活動

電池工作學習單

1.在下面的空間中畫一幅電池的安裝圖。標記西紅柿、電線和燈泡的部件。畫箭頭表示電流的方向。

2.西紅柿如何幫助電路工作？

3.為什么在制造電器時必須了解電路？

4.你設計的電池輸出電壓是多少？

4.作品分享與評價

1.活動前評估

（1）頭腦風暴：小組討論，讓學生參與公開討論。提醒他們，沒有任何想法或建議是“愚蠢的”。所有的意見都應該被尊重地聽取。采取不加批判的立場，鼓勵大膽的想法，不鼓勵對想法的批評。問學生他們能想出多少用電池驅(qū)動的東西，并把他們的想法寫在黑板上。

（2）快速投票：活動開始前，向全班同學提出一個問題，我們能從水果或蔬菜中獲得電能嗎？并把他們的答案寫在黑板上。

2.活動嵌入式評估

（1）學習單核對檢查：讓學生單獨或兩人一組做一個電池練習單。在他們完成后，讓他們與一個同學或另一對同學比較答案，給所有學生時間完成作業(yè)。

（2）假設問題：如果我們在回路中連續(xù)加入更多的西紅柿，會發(fā)生什么？（回答：一排加更多的西紅柿和一排加電池是一樣的。把每塊西紅柿的電壓加起來。這樣，電路的電壓就會增加。另一方面，我們電路的電流不會增加。電流與西紅柿的數(shù)量無關，而是與每個西紅柿的大小有關。）

3、活動后評估

（1）解決問題：向?qū)W生展示下列數(shù)學問題，并讓學生計算每個蔬菜或水果需要多少才能點亮燈泡。

如果一個檸檬能產(chǎn)生1伏的能量，你需要多少個檸檬才能點亮一個2伏的燈泡？（回答：2）

如果一個馬鈴薯產(chǎn)生0.8伏的能量，你需要多少個馬鈴薯來點亮一個1.5伏的燈泡？（回答：2）

如果一個馬鈴薯產(chǎn)生0.8伏的能量，你需要多少個馬鈴薯來點亮一個3伏的數(shù)字時鐘？（回答：4）

如果你有一個檸檬能產(chǎn)生1伏的能量，一個蘋果能產(chǎn)生1伏的能量，你能點亮一個3伏的時鐘嗎？（回答：不，你還需要一個檸檬或蘋果。）

（2）制圖：工程師必須了解電路是如何工作的，才能開發(fā)出酷炫的新技術。畫一幅你的西紅柿電池的圖片。標記電池（電壓）和電阻（燈泡）。畫一個箭頭表示電流（從銅端到鋅端）。列出兩個工程師可以開發(fā)的用水果電池驅(qū)動的酷產(chǎn)品。

（3）故障排除提示

如果LED時鐘、燈或小燈泡不工作，檢查西紅柿電池的設置?？赡懿皇撬械亩俗佣紡呢摌O連接到正極，或者西紅柿的電壓不夠，用萬用表或電壓表檢查西紅柿的電壓。另一種可能性是有足夠的電壓，但沒有足夠的電流來點亮燈泡，這就是為什么建議只使用非常低電壓的LED時鐘或燈泡。此外，嘗試使用更多的西紅柿（即5個半塊的西紅柿），以增強電導率。

嘗試不同的LED顏色（例如，藍色的LED可能比紅色的效果更好）。

五、反思與改進

活動結(jié)束時，在學生們拆卸西紅柿電池之前，讓全班同學把他們的水果電池串聯(lián)起來，做一個更大的西紅柿電池，這很有趣。

用不同的水果或蔬菜再次嘗試這個活動。很多水果和蔬菜都可以，比如檸檬、酸橙、蘋果和胡蘿卜等，讓學生比較不同水果和蔬菜的表現(xiàn)。

再次使用電解質(zhì)溶液完成活動，如鹽水或醋等，比較不同電解質(zhì)溶液的性能。

增加一個數(shù)學部分，讓學生使用萬用表來比較幾種不同水果的電流以及水果的總使用量。讓他們畫出結(jié)果的圖表，并假設發(fā)生了什么。

本文系合肥市教育科學“十三五”規(guī)劃課題《基于STEAM教育理念下高中化學實驗教學實踐研究》（編號HJG20040）的研究成果

安徽省合肥市第十一中學 232200