基于STEM教育的學生活動設計

潘越 葛春洋 陳乾

摘要：在STEM教育大力開展的背景之下，設計了利用銅線、電池、磁鐵等生活中的資源制作“簡易小馬達”的實驗。該實驗引導學生在解決科學與工程問題的過程中提高科學探究能力，并且在“金鑰匙”活動中成功開展。最后，結合時代發展和熱點問題，進一步改進了“簡易小馬達”的實驗。

關鍵詞：STEM教育；生活化；探究；實驗探究

文章編號：1008-0546（2018）11-0079-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.026

一、問題提出

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育是科學，技術，工程與數學領域的知識在同一個主題下的相互聯系與應用，目前已成為發達國家科學教育改革的新追求之一。在STEM教育開展的背景下，我國科學教育的課程內容和課程模式也有了很大的改進，教學內容更加注重實驗探究活動，引導學生聚焦不同領域知識之間的聯系，倡導學生在工程中發現科學，在實踐中體悟科學，在主動學習與自主探索中發展科學核心素養。STEM教育有可能改善科學教育中存在的學生實驗不足、實驗可操作性不強、探究性不足、STS教育過于零散等缺點。目前，我國基礎教育的科學課程與數學學科的融合基礎良好，但與科技、工程的結合存在明顯不足。因此，如何進一步有效利用生活中的教學資源，合理設計與開發科學實驗，幫助學生更好地形成科學素養與工程素養，是一個亟待解決的問題。

偉大的教育家傅鷹說：“實驗是化學的最高法庭。”實驗幫助學生走近生活與科學，在自主實踐中更好地掌握科學的基本概念與原理。對于實驗的選擇和開發，英國里丁市Kendrick中學的Shallard老師認為，實驗應與生活實際密切相關，在生活中尋找實驗用品，并且讓學生在真實的情境中用科學知識、實驗現象與實驗數據來解釋或解決實際生活中的問題，在實驗過程中體會科學知識和科學方法的應用價值。

馬達是英文“motor”的英譯，又稱為電動機或發動機。馬達用途廣泛，大至重型工業，小至兒童玩具都能找到它的蹤跡。本文選用銅線、電池、磁鐵等生活用品，設計了簡易小馬達的實驗。開發利用了社會、生活中的教學資源，培養了學生的動手實踐能力與合作思考能力，幫助學生們進一步了解工業生產與科學技術。

二、實驗原理

如圖1，能夠導電的磁鐵形成了磁場，在一個截面上形成了如圖中細線磁感線所示的磁場分布，每一點的切線代表了該點的磁感線強度方向。銅線上端與電池正極相接觸，形成了粗線所示的電流。電流從正極流出，通過銅線左右兩側分別流向負極。通電導線在磁場中受到安培力的影響，可運用左手定則判斷：在圖示磁場方向下，銅線左側安培力垂直紙面指向紙里，銅線右側安培力垂直紙面指向之外。因此，銅線左右兩側受力方向相反，銅絲發生旋轉。銅線旋轉的方向是根據磁場的方向確定的，若將磁鐵的N極與S極對調，銅線旋轉方向將發生改變。

三、實驗設計及改進

1.儀器和藥品

銅絲、砂紙、5號電池、能夠導電的磁鐵（釹鐵硼等）、鉗子。

2.實驗步驟

（1）用鉗子剪斷銅絲后，用砂紙打磨銅絲使之光潔。將線圈圍著電池繞出一個環與負極接觸，接著再調整一下圓環大小。

（2）將兩端的銅線向上彎曲，在銅線略高于電池正極帽的地方再往下撇，使銅線兩端交于一點與正極接觸。最后，調整形狀，使正極與銅線末端接觸良好。

（3）用手輕輕撥動放置好的線圈，使線圈轉動起來。

3.實驗分析

將上圖所示的三個形狀分別編號為形狀1、2、3，分別計量三個不同形狀的銅線旋轉的時間，平行測量三次。

將計時控制在兩分鐘之內，發現三種形狀在與電池和磁鐵良好接觸的情況下，均能穩定地旋轉。形狀3對空氣的阻力最小，旋轉速度最快；形狀1和形狀2雖然對空氣有一定的阻力，左右兩側結構平衡，旋轉較穩定。

4.學生活動設計

5.活動結果分析

在“金鑰匙”比賽中，簡單講解“小馬達制作”的實驗用品和步驟之后，讓學生以6人為一個小組制作出作品，根據銅線在電池上穩定轉動的時間賦分。很多同學在講解過程中就很興奮，爭相說出“通電導線在磁場中受力轉動”的實驗原理。這說明“小馬達”背后的科學知識學生是非常了解的。

接下來，有的學生根據提供的實驗步驟畫出了實驗裝置圖，有的則在腦海中形成大致的實驗裝置。這一環節中，學生將科學學習中實驗裝置的設計應用到了生產生活中，是工程知識在STEM教學中的體現。實驗開始時，筆者給每組一根相同長度的銅線，有的小組把這一根長的銅絲用于一個實驗中，發現銅絲無法在電池上旋轉。實驗的初次失敗使得他們尋找原因，經過討論，小組內各成員都認識到銅線過長，造成的阻力過大，所以銅線不旋轉。

取了合適長度的銅線彎折成一定的形狀，另一個小組發現銅絲仍然不能在電池上旋轉。小組成員仔細研究了教師提供在易拉寶上的圖片，發現提供的形狀1和形狀2有相似的特征：形狀的上端向下凹，形狀的下端都是一個圈。通過仔細觀察和思考，他們認為通電的導線上磁感應強度越大，旋轉就越穩定。小組成員修正了銅線的形狀，使得銅線的下端在磁鐵的周圍。當銅線穩定地在電池上旋轉時，他們都欣喜得為自己鼓起了掌，體驗到了成功的喜悅。

在“簡易小馬達”制作活動中，筆者很高興地看到不少團隊利用“通電導線在磁場中受力轉動”的知識點，設計出電池-磁鐵-銅線的閉合回路，成功地完成了實踐活動內容。“簡易小馬達”這一實驗有效結合了科學與工程，綜合培養了學生的素養。

四、實驗改進

雖然“簡易小馬達”這一活動有效發展了學生的科學素養和工程素養，但是從實驗設計者的角度來看，這個實驗內容比較單調，故通過參考更多資料，又對該實驗進行了改進。

1.自制“動力火車”

“軌道賽車”是很多學生童年喜愛的玩具。利用一定長度的銅線、5號電池、2塊小磁鐵可以設計出相似的裝置。首先，將一段較長的銅絲彎折成螺旋狀，形成“軌道”。接著，將磁鐵分別吸附在正負兩極，放入銅線圈。在銅線圈所形成的的磁場中，電池在銅線圈“軌道”內向前移動。利用這些生活化的資源，可以自制“動力小火車”。

實驗原理：實驗中，電池-磁鐵-銅線形成了一個閉合回路，產生的電流通過銅線管，在磁鐵形成的磁場中受到了磁力作用。同時，電池兩端的磁鐵n極相對，分別產生引力和斥力，電磁動力推動小車向前運動。

設計意圖：利用生活化的科學實踐活動，學生能夠更加深刻地了解磁懸浮列車的工作原理。2013年，SpaceX提出超級管道磁火車的想法，利用金屬管道和電磁場實現超高速行駛。本實驗設計有效結合了科技前沿，能夠將理論轉移為學生手中的實踐，從而培養學生的遷移與應用能力；在制作過程中，電池、磁鐵與銅線要形成閉合回路，銅線又不能在電池上直接纏繞，這一過程培養了學生的動手實踐能力；同時，在實驗過程中，化學能轉化為電能，電能又轉化為機械能和熱能，學生在實踐和思考中豐富了能量轉化的形式，思考如何能使能量有效地轉化而不是以熱量的形式散發，對能量轉化效率有進一步的思考，為高中進一步學習電化學及豐富能量觀奠定基礎，提高科學核心素養。

將科學生活化與生活科學化有機結合，提高學生的創新思維能力。學生看到以電磁為動力的小車在軌道中運動，感受到自己就是軌道公路的偉大開發者，自信心和自豪感油然而生。

2.自制小風扇

將一塊磁鐵吸附在電池負極，電池正極吸附一根帶磁鐵的鐵釘，調整上下兩塊磁鐵磁場方向相同。接著，將風扇固定在下端的磁鐵上。最后，將一根銅絲固定在上下兩塊磁鐵上，可以觀察到風扇開始轉動。

實驗原理：實驗中，電池-磁鐵-銅線形成了一個閉合回路，產生的電流通過銅線管，在磁鐵形成的磁場中受到磁力作用。但是，由于銅線被固定，下端的磁鐵受到相對作用，帶動風扇轉動。

設計意圖：通過小組動手實驗，學生在做中學，動手制作出風扇，有效提高了動手實踐能力和團隊合作能力。“電磁風扇”實現了能量的轉化，化學能轉化為電能，電能轉化為機械能、熱能和風能。在能源緊缺的今天，開發利用新能源已經成為人們關注的焦點。在實驗中，學生對能量的利用和轉化有了進一步的思考，對新能源的利用與效率有了更多的想法，培養了學生的創新意識。同時，這個實驗能激發學生學習的好奇心，拉近學生與生活的距離，體悟“科學源于生活，并且服務于生活”的事實。

五、總結

基于STEM教育的理念，利用電池、銅線和磁鐵等生活中常見的資源，設計了“簡易小馬達”、“動力火車”、“自制小風扇”的探究實驗，讓學生在動手實踐中提高遷移與應用能力，發展創新意識與科學思維，全面提高綜合素養。

參考文獻

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