基于STEM理念的水果電池制作

施念 戴波妮 竺麗英

摘要：基于STEM理念，利用簡單易得的檸檬、西瓜、礦泉水瓶等材料，通過對電流、電壓等影響因素的探究活動，設計了一套新穎有趣、環(huán)保美觀的熊貓水果電池定時裝置，有助于強化學生對原電池的形成條件、電能與其他能量之間的轉(zhuǎn)化等科學知識的理解，促進科學、技術、數(shù)學、工程、藝術等學科領域之間的融合，提升創(chuàng)新設計思維。

關鍵詞：STEM教育;水果電池;實驗改進

文章編號：1008-0546（2022）04x-0086-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.024

STEM教育是綜合運用科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）、數(shù)學（Mathematics）等學科領域的相關知識，順利解決真實性任務的一種新

型教育范式[1]，有助于培養(yǎng)學生的探究能力、創(chuàng)新意識、批判性思維、信息技術能力等未來社會必備的技能，已成為世界各國教育領域發(fā)展的重要戰(zhàn)略[2，3]。我國基礎教育課程改革也極為重視STEM教育的實踐，探索STEM教育應用模式，積極開展STEM課程整合、學科融合以及創(chuàng)客教育的相關研究[4]?；趯W科特色，開發(fā)設計多學科融合的STEM實驗項目，促進不同學科知識的整合與創(chuàng)新，是提升學生核心素養(yǎng)、培養(yǎng)跨學科學習能力的重要途徑[5]。

水果電池貼近學生的現(xiàn)實生活，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，趣味性強，融合了氧化還原、原電池的形成條件、能量轉(zhuǎn)化、電路連接等多種科學知識與原理，不僅有利于激發(fā)學生的學習興趣，加深其對電化學相關內(nèi)容的理解，還能有效促進學科內(nèi)部，以及科學與社會生活、數(shù)學、技術等學科之間的聯(lián)系，有助于發(fā)展學生的科學素養(yǎng)[6]，是國內(nèi)中小學科學教材中常見的素材[7，8]。

研究利用身邊的材料，基于電化學的相關原理，制作了名為熊貓鐘的一套水果電池STEM作品，現(xiàn)將設計原理、用品材料、過程方法及實驗效果介紹如下。

一、設計原理

一寸光陰一寸金，珍惜時間是人們一直提倡的理念，基于此，研究設計了熊貓鐘水果電池定時裝置。裝置分為3個部分：水果電池、熊貓計時器外殼和定時漏斗，如圖1。該裝置以水果電池作為電源，發(fā)聲器作為發(fā)聲裝置，定時漏斗向刻度容器中加入白醋，當1分鐘時，容器中的液面上升到既定高度，導線A、B與白醋接觸，等效于開關閉合，整個裝置形成閉合回路，鬧鈴響起，達到定時提醒的效果，具體成品如圖2。

二、裝置的材料、用品

1.水果電池材料、用品

鎂條4片、銅片4片、檸檬1個、白醋1袋、小瓶蓋4個、長方體透明容器1個、濾紙4張、橡皮筋4根、導線、萬用表。

2.熊貓計時器及電池的外殼材料、用品半個西瓜皮、發(fā)聲器1個（額定電壓1.5V～4V，額定電流2mA）、黑色卡紙1張、泡沫板1個、白色水粉顏料、剪刀、固體膠。

3.定時漏斗材料、用品

礦泉水瓶1個、記號筆1支、剪刀、雙面膠。三、裝置搭建1.水果電池的條件探究及搭建水果電池是整個作品的核心部位，文獻發(fā)現(xiàn)，要使發(fā)聲片等電子元件正常工作，需要同時達到額定電壓和額定電流，并且電解質(zhì)溶液、電極種類、電池連接方式、電極接觸面積等因素對水果電池的電動勢都有一定的影響[9-11]。采取單因素研究實驗法，對電極種類、電解質(zhì)溶液和電池連接方式這3個變量進行實驗探究，以確定水果電池的最佳條件。

（1）電極的選擇

根據(jù)非標準電極電勢的計算公式E=φ正-φ負，正負兩極的電極電勢差越大，電動勢就越大，結(jié)合已有文獻，選取活潑性相差較大的4對電極作為探究對象，分別是：Zn-C、Zn-Cu、Mg-C、Mg-Cu。

考慮到電極間距越小，電動勢越大，因此用濾紙隔開兩電極，使得兩電極間距盡量小，并且不會因兩電極過度貼近而造成短路。將濾紙片剪成長方形，使其略大于銅片與鎂條，依次疊放鎂條、濾紙、銅片，用橡皮筋捆綁固定，制成1個Mg-Cu電極，將其插入檸檬汁，深度為3cm（室溫下）。用萬用表在室溫下分別測量電壓與電流，重復3次，取平均值。同理，測得Zn-C、Zn-Cu、Mg-C電極工作時的電壓、電流數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可知，不同電極組成的水果電池電壓電流不同，其中Mg-C電極產(chǎn)生的電壓最高，為1.715V，Mg-Cu電極產(chǎn)生的電流最大，為10.4mA。由于碳棒呈圓柱體，Mg條呈長方形，制作電極對時，濾紙很難貼合，操作不易，因此，研究選擇Mg-Cu電極。

（2）電解質(zhì)溶液的選擇

中的氫離子屬于方程中的氧化態(tài)，因此水果的酸度越大，電池的電動勢越大。也有研究指出水果電池的電壓和電流不僅和水果自身的pH有關，還與其自身的細胞結(jié)構(gòu)（細胞壁、細胞膜、細胞核、胞間連絲等）、所含內(nèi)容物（果酸、糖分等）以及能量分子（ATP）利用有關。由相關文獻可得，檸檬汁的pH較小，香蕉對于能量分子（ATP）利用率較高，香蕉泥損壞的細胞結(jié)構(gòu)不會抑制水果電池的電壓和電流[12-14]。因此，選取檸檬汁、香蕉、香蕉泥作為研究對象，探究水果種類及狀態(tài)對電池的電壓電流的影響。

如前操作制作3個相同的Mg-Cu電極，將其分別插入檸檬汁、香蕉、香蕉泥中，深度均為3cm，測量電池的電壓和電流，結(jié)果如表2。

由表2可知，相同條件下，檸檬汁為電解質(zhì)的電池產(chǎn)生的電壓電流均最大，分別為1.487V、10.4mA;而泥狀的香蕉比完好的香蕉在電壓電流值上都更大一些。在影響水果電池電壓、電流的因素中，水果的pH對電壓、電流的影響較大，故選擇檸檬汁為電解質(zhì)溶液。

（3）連接方式的選定

根據(jù)電路連接的原理，并聯(lián)有利于增大電流，串聯(lián)有利于增大電壓，采用既并聯(lián)又串聯(lián)的方式，電壓、電流都能有所增強。因此，分別采用串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)結(jié)合三種方式探究最佳的連接方式，電極為Mg-Cu，電解質(zhì)溶液是檸檬汁，插入深度3cm，改變電池電路連接方式，測得結(jié)果見表3。

由表3可知，將2個水果電池串聯(lián)，總電壓（2.956V）約為1個水果電池電壓的2.0倍，總電流（13.4mA）約為1個水果電池電流的1.3倍;將2個水果電池并聯(lián)，總電壓（1.549V）約為1個水果電池電壓的1.0倍，總電流（18.0mA）約為1個水果電池電流的1.7倍;而3個水果電池串聯(lián)再并聯(lián)的連接方式總電壓（4.683V）約為1個水果電池電壓的3.1倍，總電流（19.1mA）約為1個水果電池電流的1.8倍?？梢?，串聯(lián)對電壓的增強效果優(yōu)于并聯(lián)對電流的增強效果。根據(jù)發(fā)聲器的要求（額定電壓1.5V～4V，額定電流2mA），同時考慮到制作中并聯(lián)導線連接的復雜性，最終確定電路連接方式為4個水果電池串聯(lián)。

（4）水果電池的搭建

經(jīng)過實驗探究，確定水果電池的電極材料為Mg和Cu，檸檬汁為電解質(zhì)溶液，同時采用4個電池串聯(lián)的形式，搭建步驟如下：首先，按上述方法制作4個Mg-Cu電極，分別放置在4個小瓶蓋中，用導線串聯(lián)電極，由于檸檬汁與電極反應比較劇烈、迅速，因此在作品運行時才向瓶蓋中加入檸檬汁。接著，銅片連接發(fā)聲器的正極，發(fā)聲器負極端連接導線A，導線A的另一端固定在刻度容器的底部，鎂片連接導線B的一端，另一端放入刻度容器中，高度待定，如圖3。

2.計時器及電池外殼的制作

完成核心部位后，為了使裝置更加美觀、具有藝術性，設計了熊貓鐘外殼。將半個西瓜皮用水粉顏料涂白，在頂部鏤出一個小洞，用于承接漏斗口，在西瓜上方對稱兩處切一個小口，用于安裝熊貓耳朵，在熊貓的左耳處固定發(fā)聲器，并用黑色卡紙制作熊貓的五官，最后將水果電池裝置放在泡沫板上，蓋上熊貓鐘外殼。

3.定時漏斗的制作

裝置美化完成后，為水果電池裝置增加1分鐘的定時功能。用一個長方體透明容器作為刻度容器，將礦泉水瓶對半切開，頭部呈漏斗狀作為定時漏斗，在瓶蓋中心鏤出一個小洞，擰緊瓶蓋，往定時漏斗中灌入白醋，使白醋滴入刻度容器中，標記1分鐘時容器中液面的高度位置為“1”，并將導線B另一端安置在“1”的高度位置，即當液面到達此高度時，導線A、白醋、導線B三者連接形成通路。

四、操作及評價

檸檬去皮、榨汁，倒入放置電極的4個瓶蓋中，使濾紙完全浸透濕潤。如圖2搭建裝置，將漏斗倒扣在熊貓頂端（注意漏斗口下方正對刻度容器的中心），向漏斗中倒入適量白醋，當白醋滴入刻度容器時，開始計時?？潭热萜髦幸好娴竭_導線固定高度時，形成通路，發(fā)聲器音樂響起，此刻時間為1分鐘。實驗結(jié)束后，及時解開電極片，清洗瓶蓋、刻度容器和電極片，擦干，可存放至下次計時使用。

本裝置從珍惜時間的角度切入，探究了不同電極、水果種類及狀態(tài)、連接方式等因素對水果電池電壓、電流的影響，并基于實驗數(shù)據(jù)，選擇相應功率的電能裝置，設計了熊貓計時器，充分體現(xiàn)了STEM教育的理念。作品將電能轉(zhuǎn)換為聲能，利用溶液上升到一定高度自動形成閉合回路，觸發(fā)定時功能，設計精巧絕妙，富有創(chuàng)意;以西瓜皮、礦泉水瓶、瓶蓋、泡沫板等為原材料，選材新穎獨特，綠色環(huán)保;采用“熊貓”的形象包裝作品的外觀，造型美觀，又極具中國特色，體現(xiàn)了藝術與工程、技術的融合之美。但需要注意的是，由于檸檬汁酸性較強，Mg-Cu電極活潑性差距大，化學反應劇烈，鎂片消耗較快，因此，反應時間不宜過長，實驗結(jié)束后應立即清洗電極片。

參考文獻

[1]蔡慧英，顧小清.設計學習技術支持STEM課堂教學的案例分析研究[J].電化教育研究，2016，37（3）：93-100.

[2]宋怡，紀慧.非正式教育中STEM教育的實踐與思考——以美國EcyberMission科學競賽為例[J].化學教育（中英文），2017，38（23）：58-61.

[3]金慧，胡盈瀅.以STEM教育創(chuàng)新引領教育未來——美國《STEM2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》報告的解讀與啟示[J].遠程教育雜志，2017，35（1）：17-25.

[4]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J].中國電化教育，2017（4）：67-74.

[5]趙慧臣，張娜鈺，馬佳雯.STEM教育跨學科學習共同體：促進學習方式變革[J].開放教育研究，2020，26（3）：91-98.

[6]李佳佳，張拴，唐于平，郭惠，等.基于本科生科研意識培養(yǎng)的教學設計——以“原電池的原理及應用”為例[J].化學教育（中英文），2019，40（24）：29-33.

[7]朱清時.義務教育教科書（科學八年級上冊）[M].杭州：浙江教育出版社，2014：143-144.

[8]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書·化學必修2[M].南京：江蘇教育出版社，2014：42.

[9]王萍.測定水果電池的電動勢和內(nèi)阻的實驗探究[J].教育與裝備研究，2017，33（9）：71-73.

[10]鮑甜，嚴文法.水果電池實驗改進研究[J].中學化學教學參考，2018（11）：45-47.

[11]于俊亭.水果汁電池的實驗研究[J].實驗教學與儀器，

2014，31（1）：30-31.

[12]王冠雄.水果電池中水果性質(zhì)對開路電壓和短路電流的影響[J].當代化工研究，2017（7）：48-49.

[13]盧帥宇.水果電池性能的實驗探究[J].湖南中學物理，2016，31（3）：67，30.

[14]魏慶蓉.高中物理課堂小實驗的教學設計與實踐[D].蘭州：西北師范大學，2004：53-59.