基于STEM學習的初中物理實驗設計

黃海

摘 要：本文通過對凸透鏡成像實驗裝置進行改進，提高實驗效果，培養學生運用跨學科知識解決實際問題能力，并借此探索開展 STEM素養培養的途徑和方式。

關鍵詞：STEM教育 凸透鏡成像實驗

一、STEM教育概述

STEM教育包含四個學科：Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學），是有目的地整合各學科的教學和學習方法，學生將從中發現并獲得能在學術和現實背景中可以運用的概念、能力以及科學、技術、工程和數學思維等，期望教師將學科核心理念與科學研究的內容或工程相結合，進而轉化為學生的能力與素養。

STEM項目學習以學生為中心，有意識地參與并整合多個學術領域和多種學習方法來研究某個問題或項目。常見的基于項目的學習流程包括提供真實情境、提出刺激思維的課題、有可利用的資料以作出解決問題的假定、從活動中驗證、根據實驗得出結論。

二、問題的提出

探究凸透鏡成像規律的實驗是初中物理中的一個重要實驗，很多同學做完這個實驗后，對實驗中使用的蠟燭非常不滿意，主要集中以下幾點：

1.燭焰易晃動。當蠟燭燭焰成實像在光屏上，將所成的像與燭焰進行大小的對比時，由于發光的燭焰一直晃動、大小不穩定，不便于測量。據此實驗數據來分析總結實驗規律的話，將會出現嚴重錯誤。

2.物距難定。蠟燭一容易傾斜， 燭焰中心與支架中心可能不在同一刻度線上，有可能造成物距讀數的不準確;而且當蠟燭固定后，很難使蠟燭發生某些動態變化，如物體左右移動、上下移動。

3.共軸性會變化。蠟燭燃燒過程中會變短， 時間一長，燭焰中心、凸透鏡中心和光屏中心會不在同一高度上。

4.有安全隱患。學生實驗時點燃蠟燭要用到火柴， 存在較大的安全隱患。

5.有環境污染。教室里幾十支蠟燭同時燃燒，室內空氣會被嚴重污染，影響學生身體健康。

三、設計思路

1.光源。選用白色、藍色和純綠色的10mm 超高亮發光二極管作光源。其正向電壓均為3V—3.6V。半值角為17～23°，外殼為圓柱形，LED的半球形頂端有聚光作用，大部分光從此處向前射出，具有很高的指向性，適合在光具座上成像。通過20mA下的發光強度分別為白色的是4200～8200 （mcd）、藍色的是2130～3000（mcd） 綠色的是12000～16000（mcd），亮度高。

2.電路結構。采用的方案有兩個。第一個方案只用一個藍色超高亮發光二極管，串聯一個R限流電阻，不同的發光二極管還有不同的工作電流，一般為5～20mA（具體應用請參考管子的實際情況來確定）。“管壓降”和“工作電流”這兩項為發光二極管最為重要的電參數。只有同時滿足這兩項電參數才可能使管子正常發光。否則管子要么不亮，要么只亮了一下就被燒毀。但是實際電路中并不存在恰巧合適的電環境，所以為發光二極管配上一個限流電阻的目的就是為其搭建一個合適的電環境，使其兩端的實際電壓和電流恰巧處在“管壓降”和“工作電流”的允許范圍內。下面用一個例子介紹限流電阻的選用公式。 如果使用單個鋰電作電源，電壓為3.7V，發光二極管的正向飽和壓降為3V，工作電流定為10mA，則限流電阻R的值就等于電源電壓3.7V減去正向飽和壓降3V后再除以工作電流10mA，為70歐姆。

即：R=（電源電壓-管壓降）/工作電流

直插型的高亮管工作電流在5mA左右就可以了。工作電流太高的話會比較刺眼。所以在發光二極管的實際使用中除了要考慮公式以外也要根據實際情況調節限流電阻。我選用兩個1號普通堿性電池串聯提供3V電源，可以看成限流電阻為0，實測工作電流為3.2 mA，長時間使用工作正常，并沒有燒壞，這樣可使電路簡潔。

第二個方案采用的藍色、白色、綠色三種高亮發光二極管并聯，這三種顏色的電壓相同。要注意的是不同顏色的發光二極管也有不同的管壓降，工作電壓不同的發光二極管不能直接并聯使用。

3. 采用普通電池即可。1號電池也可以充當支撐作用，省去座。

四、學生活動設計

五、學生實驗制作過程

在實驗制作之前，安排學生分小組學習發光二極管和電路的相關知識。引導學生通過討論，選用不同的方案進行制作，并進行

評價。

1.單個二極管方案。用電烙鐵把一個一號電池、開關、發光二極管串聯起來，1號電池的正負極先用砂紙輕輕打磨一下，然后快速焊接上導線，再用熱熔膠固定好元件、導線和開關。

2.三個二極管方案

把白色、藍色、綠色三個超高亮發光二極管并聯，用電烙鐵焊接好，把電池、開關、串聯起來，再用熱熔膠固定好元件、導線和開關。

六、實驗展示和評價

學生使用制作好的LED光源，進行凸透鏡成像實驗，并對實驗改進效果進行評價。

1.單個二極管方案。分別進行立放和側放，能否清晰呈現倒立放大或者倒立縮小的實像。

2.三個二極管方案。分別進行立放和側放，是否觀察到品字形的實像，三種顏色的圓形實像，調整物距和像距，是否呈現倒立放大或倒立縮小。

為了便于教師對課程進行評價，教師可以預制評價表，這種形成性的評價方式能夠幫助教師對STEM學習效果進行評價。評價細則還可以和學生一起制定，以激發學生學習主動性和興趣。

七、結語

本活動通過學生實際遇到的真實問題，培養學生工程思維，并綜合運用跨學科知識解決問題，提升學生STEM素養。STEM課程的效果取決于教師的知識儲備和學科整合、設計能力，同時還需要不斷啟發學生，使之具備開放的思路、溝通合作能力以及較強的動手能力。