開展科技小課題研究激發學生學習動力

趙小娟

摘 要：環保和科學研究意識的培養是教育的重要目標，本文通過引導學生從生活中發現問題，并建立科技小課題研究解決問題，嘗試開展了將物理學上的熱聲效應運用到廢熱資源利用，通過手機微型揚聲器的動圈感生出電流發電的課題研究。項目結合了廢熱和廢舊手機揚聲器，實現廢物和廢能的有效利用，提高了學生對環保的關注度，激發了學習熱情，培養了研究的基本方法，提高了動手能力，對教育目標的達到起到了巨大的強化作用。

關鍵詞：科技小課題;廢熱;發電;學習動力;中圖分類號

一、課題來源

本項目熱致聲驅動裝置就是采用手機揚聲器作為功能轉換器，用熱產生聲波來驅動與微制造技術結合的熱聲元件（手機揚聲器）和諧振腔，由聲振蕩引起工質壓力和溫度的振蕩，驅動手機揚聲器音圈運動，從而實現廢熱發電，項目相對于學生來說具有一定的研究難度，但是項目的主題意義好，既有對物理基本概念的深刻認識，又有對實驗室儀器的操作應用，實驗材料的準備，還有資料的調研及實驗現象的分析，鍛煉比較全面，能夠起到非常好的教育引導作用。

二、需求分析

這項活動開展開始時，教師要求學生帶著我們為什么做這個課題，即開展課題研究的意義是什么，以這個目標出發和學生一起通過各種方式查資料，讓學生了解到，隨著微電子技術的進步，在單位面積上可集成的芯片和電路越來越多，單位面積的散熱功率也在不斷增大。由此帶來的過高溫度會降低芯片的工作穩定性，增加出錯率。如果使用微型熱回收裝置作為微電子芯片和電路系統的熱量管理手段，將會大大提高設備的性能。老師指導學生對國外相關網站和外文文獻利用翻譯軟件等手段解讀，對這些資料大家一起討論，從而激發了學生濃厚的興趣，確定以解決小問題出發，以鍛煉基本能力為目的，提出項目課題，大家一致認為這個小課題也許有大的用途，從而敢于面對課題的挑戰。

三、制定研究步驟

為了更好的完成實驗工作，根據大家調研的情況，老師和學生們討論認為，廢熱驅動揚聲器發電裝置，具有熱聲元件的微型化特點，作為原理性工作，為簡單易行，在設計、制作和測試方面盡量采用現成材料和工藝，首先實現原理性突破，并提出以下問題是在廢熱驅動揚聲器發電裝置研究中需要解決的關鍵問題：

（1）聲驅動器的微型化設計模型。聲驅動器要求能提供高頻的、具有一定聲功率的輸出，同時是微型的;

（2）熱聲元件的微型化設計模型;

（3）試驗系統的微型化，進行試驗研究測試，需要小電量電源數據測試儀器。

這些知識相對于學生來說較為專業，但我們的目標主要是讓學生動手、動腦和嘗試，并學會梳理問題，可以從以上的問題中提出一些可以選擇的方法和材料，并動手應用于實驗裝置中。

根據對關鍵問題的梳理，老師引導學生討論并整理出課題的研究內容：

（1）手機揚聲器的特性選擇研究，確定揚聲器的結構和特性及聲驅動器振子的特點并進行選擇驗證;

（2）由老師采用成熟的教學商業計算軟件，建立熱聲驅動發電機的模擬模型，確定聲驅動系統與熱聲諧振系統的阻抗匹配方案;

（3）進行熱致聲驅動發電裝置的試驗研究。

四、開展研究工作

老師指導學生收集廢舊手機，教會學生針對不同的手機封裝結構，先觀察，然后大家配合開展“拆機”作業，讓學生看到小小的手機中各種巧妙的設計，學會靈活使用不同的實驗室工具，針對卡扣，螺絲，錫焊和膠粘等不同的緊固方式，在不破壞結構的情況下完整地取下需要的微型揚聲器，僅僅這一初步的工作，就讓學生其樂無窮，從剛開始的手足無措，亂拉亂扯，“野蠻”破壞，到穩扎穩打，先觀察定步驟到細致解剖，學生說自己像一個外科醫生，觀察動手能力和耐心得到極大提高，看到自己拆下的干凈利落的揚聲器組件，一個個自豪滿滿，并開展了電聲的基本演示和測試，看到能夠通過調整頻率改變聲音，大家對聲學部分的知識有了根部的認識，其它如電阻、電壓等特性測試也是讓學生們興趣盎然。

第二步是準備熱聲管，學生提出用實驗室試管和細銅絲作為基本材料，因為在一些文獻上看到這樣的應用，老師也鼓勵大家動手，于是按照計算好的材料用量、放置位置等基本參數動手準備，很快管子也做好了。

根據預先畫好的接線圖，學生們將揚聲器膜片與熱聲管開口連接，為便于更換熱聲管蓄熱材料，有學生提出用膠塞密封，大家都一致認可，激動人心的一刻來臨了，為了安全，老師將做好的小裝置一端放在酒精燈上加熱，卻始終沒有聽到揚聲器的發音，說明沒有產生聲振動或者波動太小，同學們有些失望，老師鼓勵大家不要灰心，研究工作往往就是這樣，任何事情不會一帆風順，激發大家分析想辦法，有個同學提出接一個精密的儀表測試，后來在家長的幫助下，又不斷改變蓄熱材料種類、重量及位置等條件，用借來的儀表對揚聲器兩端的電壓進行檢測，終于可以觀察到極小的電壓波動，說明我們的裝置在原理上是行得通的，只是在各個方面都未做到精細化，損失太大，無法觀察到明顯的現象。雖然沒有達到項目要求，但大家仍然非常高興，因為在這整個過程中，大家手腦并用，觀察記錄，配合討論，特別像一個科研團隊，大家對知識的渴望，對自己能力的提高充滿了期待，并意識到每門課的知識都很重要，這些學生在后來的課堂學習中，學習的熱情、主動性和對課外知識的獲取能力都得到極大提高，失之桑漓得知桑榆，課題研究達到了我們的目的。

五、結論

（1）通過本項目研究，學生將從主要的較為單一的被動接受知識，需要告訴的被教育者，通過解決實際問題的實踐活動中，由興趣到需求，由需求到已有知識擴展應用，再到對新知識和信息的探索，從而激發強烈的學習本能，并逐漸形成一種良好的迭代作用，成為學習的主人。

（2）內生的學習動力增強加上老師的課堂教學引導，提高了課堂教學和課后學習的效率。科技小課題的綜合性知識要求，讓學生體會各學科知識在解決實際問題過程中不同的作用，體會目標一致、分工合作、團結克堅的重要性。通過綜合性的研學活動，讓學生作為主角，老師作為助力和引導者，老師在過程中點燃、發動和激發學生的潛能和動力，調動學生的積極性和主動性，學生樂在其中，對于利用已知探索未知過程的深刻體會，由表面到深刻，由簡單到復雜的過程，體會到一個真正的學習過程，也體現了“生本”教育理念的巨大價值。

參考文獻

[1]郭思樂著，《教育走向生本》，人民教育出版社，2001年6月版;

[2]張曉青，霍英杰，《高頻微型熱聲制冷機的特性研究》，工程熱物理學術年會會議論文集。

本文系2018年度蘭州市“十三五”教育科學規劃課題《廢棄手機揚聲器用于廢熱回收發電裝置的研究》研究成果，課題立項號LZ〔2018〕GH639