STEM教育模式下的自組裝“光纖通信”實驗研究

陳旭燕 程敏熙

關鍵詞：STEM教育：自組裝實驗：光纖通信：探究式教學

STEM教育理念強調(diào)在教學中創(chuàng)設貼近生產(chǎn)和生活的情境，通過融入科學、技術、工程、數(shù)學等不同領域?qū)W科交叉的知識，引導學生學會融合和運用知識，提高學生解決實際問題的能力以及動手操作的實踐能力。在教學中融人STEM教育，可改進傳統(tǒng)探究性教學流于形式的模式，引導學生主動尋找現(xiàn)實生活中問題的解決辦法，提升應用的能力，構建學生白身的知識體系，實現(xiàn)探究式實驗教學。

利用白組裝探究式實驗儀來開展教學能夠?qū)⒉煌S度的教學目標進行充分融合，落實物理核心素養(yǎng)，提高高中物理教學質(zhì)量。因此，本文介紹白組裝“光纖通信”演示儀的原理及作用，并基于工程問題開展探究式教學設計，進而闡述STEM教育理念與之相結合的具體體現(xiàn)。

1自組裝“光纖通信”可視化實驗裝置介紹

1.1實驗設計思想

光導纖維指使光以波導方式進行傳輸?shù)睦w維狀光學介質(zhì)材料，簡稱光纖。光纖通信技術是光導纖維通信的簡稱，指利用以光波為載頻、光導纖維為傳輸媒介的一種通信方式。華裔物理學家高錕于1966年第一個提出用光纖進行遠距離通信，成功實現(xiàn)利用光進行遠距離通信。光纖通信的光纜連接了世界的各個角落，影響著人們生活的方方面面，隨著時間的推進我國光纖通信技術取得了長足的發(fā)展和廣泛的應用，在我國的通信領域占據(jù)著越來越重要的位置。同時，“光纖通信”實驗也是STEM課程的內(nèi)容之一。

但光纖傳輸?shù)倪^程往往是以描述性方式進行介紹的，學生無法直接用眼睛觀測到，教材中也僅僅是通過語言來簡單描述光纖通信的原理。物理學是一門實驗科學，是建立在物理現(xiàn)象、物理事實、物理過程的感知基礎上，語言描述不能替代對現(xiàn)象和事實的直接感知，學生會覺得抽象、晦澀難懂。由阿恩海姆的視覺思維理論可知，在教學中如果充分利用可視化的工具和資源來刺激學生的大腦，調(diào)動視覺思維，加強直觀教學.增加學生的感知，能使學生對知識有一個更好的理解，提高學生學習的興趣，體現(xiàn)了物理教學的直觀性原則。

本文基于實驗教具可視化的原則，讓學生白己組裝和制作“光纖通信”演示儀，進行儀器的搭建組合、制作加工，增加演示實驗過程的可操作性，將“看不見”的光信號傳輸轉化為全程可視化的聲音信號和圖像信號，有效突破“光在光纖中如何攜帶信息進行傳遞”的教學難點，真正讓學生深入理解光纖通信的實質(zhì)，拉近學生與生活、科技之間的距離。

1.2光導纖維傳輸光束的原理

實驗中激光的傳導媒介為光導纖維，光導纖維由折射率較大（ni）的纖芯、折射率較小（n2）的包層和涂覆層三部分組成。當光束以一定入射角i射人光纖界面時，在介質(zhì)分界面上會發(fā)生折射，當入射角i增大到某一角度i：時，折射角等于90。，折射光線消失，入射光線不再進入包層介質(zhì)，發(fā)生全反射，此時的入射角：稱為臨界角。當i繼續(xù)增大時，仍發(fā)生全反射，故光在光導纖維中沿光纖的軸向前傳播，不從周圍射出，達到傳輸光束的目的，如圖1所示。

1.3“光纖通信”實驗系統(tǒng)設計原理

“光纖通信”實驗結構系統(tǒng)由三部分組成，分別為用于調(diào)制信號光源的發(fā)射端、傳導媒介和調(diào)解信號光波的接收端。激光發(fā)射端將MP3、手機等媒體設備音頻輸出產(chǎn)生的電信號經(jīng)調(diào)制后驅(qū)動LED調(diào)制電路，產(chǎn)生攜帶音頻信號的紅激光：傳導媒介用于傳導LED發(fā)射出的紅激光，本實驗系統(tǒng)采用的傳導媒介為光導纖維;激光接收端是經(jīng)光信號調(diào)解電路和功率放大電路將LED發(fā)出的紅激光中攜帶的音頻信號分離，還原成聲音，最后經(jīng)過解調(diào)后將音頻信號放大，驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生聲音，以實現(xiàn)聲音還原，完成信號的傳輸。原理框圖如圖2所示。

1.3.1發(fā)射模塊

圖3為激光發(fā)射模塊，Mic（駐極體話筒或音頻輸入接口）傳人的信號經(jīng)過前置放大電路經(jīng)三極管Q1放大電流電壓后，將聲信號調(diào)制到電路中形成電信號，再經(jīng)過后置放大電路經(jīng)三極管Q2（S8050）放大電流驅(qū)動LED激光發(fā)送器，發(fā)出攜帶聲電信號的激光，完成音頻信號向光信號的轉換過程。

1.3.2接收模塊

圖4為激光接收模塊，為使接收模塊能夠?qū)⒓す鈹y帶的聲電信號進行解調(diào)、放大和實現(xiàn)較高保真性的還原，本實驗接收模塊采用的是光敏二極管接收管D2.用于接收激光發(fā)射器攜帶著聲電信息的光信號，當被音頻信號調(diào)制的激光照射到D2時，在其兩端產(chǎn)生一個隨音頻信號變化的電信號，并通過音頻放大芯片LM386，音頻被放大輸出信號，放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)由芯片1、8腳之間的電容C2來實現(xiàn)，進而驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，實現(xiàn)激光中攜帶的聲音信號還原成聲音的過程。

2實驗系統(tǒng)的制作與安裝調(diào)試

2.1材料準備

根據(jù)以上設計思路，為了達到實驗可視化的功能，“光纖通信”演示儀所需要的材料有：手機（或MP3）、音箱、光導纖維、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、9V電池、音頻數(shù)據(jù)線、水平直線移動支架等。本實驗系統(tǒng)所需要的主要電子元件材料及參量如表1所示，將電子元件與圖3和圖4電路圖對應，在電路板上進行焊接，完成發(fā)射模塊和接收模塊的制作。

2.2組裝儀器與基于STEM教育模式的探究式教學設計

2.2.1組裝儀器

按電路圖將電子元件連接在PCB電路板上，組裝后接上9V的電池進行檢測，檢測發(fā)射模塊和接收模塊能否正常工作;輸入音頻信號后檢測發(fā)射模塊輸出端LED能否正常發(fā)光，排除在電子元件組裝過程中存在的接觸不良、元件損壞等故障問題。

2.2.2基于STEM教育模式的“光纖通信”探究式教學設計

（1）演示現(xiàn)象，提出工程問題

演示現(xiàn)象：聲信號是現(xiàn)代通信中一種重要信號，但只有光能夠在光導纖維中傳播，想要利用光導纖維達到傳聲的效果，則需要有能夠?qū)⒙曅盘栟D化為光信號的轉換裝置。而電信號是聲光轉換的中介，可以將手機聲音中的電信號經(jīng)過激光發(fā)射儀轉換為光信號，光信號攜帶著聲音信息進行傳遞，經(jīng)過激光接收儀轉換為電信號，進而從音箱中播放出聲音，示意圖如圖5所示。

教師連接實驗儀器進行演示：手機和激光發(fā)射儀相連，音箱和激光接收儀相連，打開手機播放器、激光發(fā)射儀和音箱的開關等，在光傳輸?shù)倪^程中沒有任何數(shù)據(jù)線相連，卻能夠播放出歌曲來。

提出工程問題：演示實驗中能夠確保激光沿直線傳播，使激光接收儀順利接收到光信號?？墒窃诂F(xiàn)實生活中，光傳播的過程中容易受到建筑物的阻擋、天氣和其他電磁的干擾等，使得聲信號的接收受到了阻礙。如果你是工程師，應該如何設計實驗裝置來消除這種不利因素的影響呢？

（2）提出猜想，進行實驗驗證

提出猜想（在教學過程中分組進行猜想和設計方案）：

小組1：如果我是丁程師，我們會考慮讓光繞過障礙物來改變光路方向，以前學過光經(jīng)過平面鏡能夠發(fā)生反射，所以此時可以讓激光反射后進人接收儀，就能解決了。如圖6所示。

小組2：發(fā)生反射雖然也能夠改變光路的方向，可是需要調(diào)整好各個角度才能滿足條件，實際操作起來非常不方便。我們想到了更好的辦法，激光在光導纖維中會發(fā)生全反射，直接繞過障礙物，光便會從一端按指定方向傳到另一端，并且不會發(fā)生泄漏，就能讓聲音重新播放了，如圖7、圖8所示。

進行實驗驗證：教師邀請兩組學生上臺對猜想進行實驗驗證。學生利用平面鏡、光導纖維進行操作，當平面鏡調(diào)整好角度、光導纖維分別對準發(fā)射端和接收端后，都能聽到聲音重新播放，但從實驗操作的便捷性、穩(wěn)定性來看，小組2的實驗方案更佳。

（3）類比遷移，學以致用

提出工程問題：在現(xiàn)實生活中，信號的傳遞不僅會受到障礙物的影響，而且往往需要進行遠距離的傳輸，但是信號就會發(fā)生衰減。在實際過程中應該如何解決這個問題呢？調(diào)整激光發(fā)射模塊和激光接收模塊所在支架之間的距離，使距離越來越遠時（模擬現(xiàn)實生活中遠距離傳輸信號中信號衰減的過程），仔細辨認聲音大小的變化，可以聽到音樂聲隨著距離的增加變得越來越小。

學以致用：學生聽到聲音信號減弱。利用前面的光導纖維就能夠防止信號發(fā)生泄漏。如果在遠距離傳輸過程中，采用一根更長的光導纖維進行連接，聲音就不會隨著距離發(fā)生變化了。通過實驗發(fā)現(xiàn)利用更長的光導纖維確實能夠使音量恢復到原來的大小，如圖9、圖10所示。

（4）拓展提升，制作模型

拓展提升：光纖通信能夠傳輸載有聲音、圖像以及各種數(shù)字信號的光，實現(xiàn)了聲音信號的傳輸，能否利用光導纖維設計實驗來傳輸圖像呢？學生動腦設計方案，圖像的傳輸需要點與點之間一一對應，如果將光導纖維聚集成束，制成光纖橋即光纜，并且相對位置保持一致，就能夠傳輸圖像了。

制作模型：學生利用實驗材料（光導纖維、膠水、剪刀、帶孔板、心形LED燈等）分組進行制作，移動心形LED燈，就可以在光纖橋的另一端觀察到同樣的心形圖像，多媒體動畫模擬如圖11所示，實驗實物圖如圖12所示。

3STEM教育理念的體現(xiàn)

陶行知先生說過：“先生的責任不在教，而在教學，而在教學生學?！痹鯓硬拍苡行У匾龑W生主動發(fā)現(xiàn)物理問題，并能通過對實驗進行分析、推理、歸納從而獲得相應的知識呢？白組裝實驗演示儀能融合STEM教育的不同教學目標，通過設置富有情境的探究任務，讓學生明確教學目標，在問題的生成、解決、再生成的過程中制作“光纖通信”演示儀，真正實現(xiàn)探究式教學，實驗教學過程中STEM教育理念得以充分展示。

首先是科學（S）：在實驗演示儀的設計中，以一種重要的光纖技術——光纖通信的電路作為實驗主體部分，以傳導媒介——光導纖維作為實驗輔助部分，通過可視化的思想和形式將光在光導纖維中發(fā)生全反射的過程呈現(xiàn)在學生面前。在實驗演示儀演示的過程中，可以引導學生思考如何讓光方便地繞過障礙物又能做到信號不衰減的問題，讓學生知道光纖的工作原理和光纖通信的丁作過程，通過此方式既能讓學生更好地理解光的全反射現(xiàn)象以及產(chǎn)生的條件，強化了科學基礎（S），同時又能讓學生運用知識去解決實際的物理問題，提高學生學習物理的興趣。

其次是技術（T）：物理是一門以實驗為基礎的學科，工程問題離不開動手操作，在此實驗儀制作的過程中，要求學生能夠理解實驗電路的原理圖，能夠獨立地將發(fā)射模塊和接收模塊裝上支架，連接好各個部分的儀器并進行實驗操作。對于動手能力較強的學生，教師可以指導他們按照電路圖焊接元件，完成發(fā)射模塊和接收模塊的制作。同時，除了利用光纖來傳輸聲音外，還應更全面地發(fā)揮其應用的廣泛性，通過制作光纖橋來傳輸圖像。讓學生在親白動手操作和分組實驗的過程中，將自己設計的實驗方案通過模型得以實現(xiàn)和驗證，提升了技術（T）的能力，從而更好地體驗STEM教育模式的樂趣，進而培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題并通過獨立思考解決問題的科學態(tài)度，逐步形成嚴謹?shù)目茖W思維模式。

然后是工程（E）：教學越來越重視科學知識與實際生產(chǎn)生活和時代發(fā)展相結合，本實驗演示儀模擬了現(xiàn)實生活中光纖通信技術的過程。讓學生分組進行大膽猜想，教師適時給予指導，引導探究方向。學生提出想法后，教師不會馬上介入，而是讓學生自己進行實驗進而分析利弊，最終得出最佳方案，同時也經(jīng)歷了科學探究的過程。在這個過程中，通過問題串的方式引導學生從工程師的角度換位思考：如果我是工程師，該如何設計和改進實驗演示儀呢？逐步將學生引導至光纖通信這一工程問題（E）的思考角度，找到解決問題的方案，讓學生體會物理知識與現(xiàn)代工程技術的密切結合，培養(yǎng)學生學習物理的興趣和社會責任感。

最后是數(shù)學（M）：

江蘇省2020年的一道高考題：我國的光纖通信技術處于世界領先水平。光纖內(nèi)芯（內(nèi)層玻璃）的折射率比外套（外層玻璃）的____（選填“大”或“小”）。某種光纖的內(nèi)芯在空氣中全反射的臨界角為43。，則該內(nèi)芯的折射率為____。

由這道題可以看出，題目考查了光的全反射的計算公式，并要求對光纖通信技術要有基本的了解，而利用本文設計的“光纖通信”演示儀能夠引導學生通過對光導纖維發(fā)生全反射的臨界角進行數(shù)學計算以及畫全反射的光路圖來定量分析光導纖維的工作原理，強化了學生的定量計算能力和作圖能力（M），進而能夠順利解決此類高考題。不僅讓學生能夠更深入地理解光發(fā)生全反射的現(xiàn)象和產(chǎn)生的條件，同時通過實驗儀介紹光纖通信技術的原理與應用，還能讓學生體驗科學探究的過程，拓寬學生的視野。

4實用效果與總結

在利用“光纖通信”演示儀進行STEM教育模式的探究過程中，在原有科學知識為核心的基礎上，注重數(shù)學工具的應用，并結合現(xiàn)代技術和前沿科技發(fā)展動態(tài)，引導學生將物理與科學、技術、工程及數(shù)學等學科進行深度整合，設計了STEM課堂教學常用的四個模塊，流程如圖13所示。

以光導纖維作為導光載體，借助激光發(fā)出的可見光傳遞聲電信號以及傳輸圖像，清晰地展示了光纖通信中光在光導纖維中的傳導過程和利用光攜帶聲音、圖像信息傳輸?shù)目梢暬p重過程，彌補了當前物理教學中存在的不足，通過實驗演示儀能讓學生更直觀、形象、深入地研究光纖通信的實質(zhì)。而光導纖維還有很多應用，例如內(nèi)窺鏡，有輸送光線、傳導圖像的本領：同時還可以與敏感元件組合或利用本身的特性做成各種傳感器，測量壓力、流量、溫度、位移、光澤和顏色等，在能量傳輸和信息傳輸方面也獲得廣泛的應用。教師也可以對其進行課外拓展。

同時，實驗系統(tǒng)選取的材料（例如手機、MP3等）來源于學生熟悉的生活，取材簡便，同時元件材料的成本低廉，學生可以在教師的指導下完成STEM實踐課題，從物理核心素養(yǎng)的視角進行STEM課程的設計和實驗的實施，注重學生的自主性，將STEM教育理念與白組裝探究式“光纖通信”演示儀進行深度融合，激發(fā)學生學習物理的興趣，從科學、技術、工程及數(shù)學4個方面有效培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新精神和動手實踐的綜合能力。