創(chuàng)新“船”奇 夢想啟航*——基于STEAM理念的無線電波發(fā)射和接收教學(xué)

南亞亞 李廣富 楊斯杰 呂雨雨 高永偉

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

STEAM教育提出將科學(xué)(Science)、技術(shù)(Tech-nology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)及藝術(shù)(Arts)融為一體[1].隨著改革開放步伐不斷加快，中國科技迅速發(fā)展，在航天航海等領(lǐng)域做出了巨大突破和進展，面對未來社會，要在科技領(lǐng)域做出更大的成就，就要從青少年一代開始培養(yǎng).在中小學(xué)教育工作中就應(yīng)當關(guān)注科技教育，使他們掌握新的技能、知識和專長，以應(yīng)對未來社會的復(fù)雜挑戰(zhàn).

基于這樣的時代背景，提出將STEAM教育融入中學(xué)物理教學(xué)中，挖掘物理中所蘊含的STEAM元素，培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)，為未來社會科技發(fā)展所需要的人才做準備.

電磁波是物理知識體系中非常重要的一部分內(nèi)容，在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用無處不在，手機通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感遙測、目標定位、家電電器、醫(yī)療設(shè)施、廣播電視及工業(yè)等各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用.以制作“無線遙控船模”作為項目，滲透電磁波科學(xué)理論，以技術(shù)和數(shù)學(xué)為工具，完成工程實踐，并體現(xiàn)對稱美、守恒美和物質(zhì)與場的結(jié)合美.在此基礎(chǔ)上，進一步融入思政教育，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷，并樹立遠大的人生理想.

1 教學(xué)分析

1.1 設(shè)計理念

美國教育學(xué)家Sternberg提出“思維三角”智力發(fā)展理論[2]，即分析性思考、創(chuàng)造性思考和實踐性思考.分析性思考要求發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，比較和對比思考，并對概念和信息做出評價；創(chuàng)造性思考鼓勵發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新或者設(shè)計問題，要求拓展思維——超越已有的東西，創(chuàng)造新的東西；實踐性思考幫助學(xué)生如何將所學(xué)的知識運用在實際生活中.人類從出生那一刻起，就對這個世界充滿好奇，會主動發(fā)現(xiàn)問題，從而探索并認識世界.所以在教育過程中我們要不斷地創(chuàng)設(shè)情境、提供符合學(xué)生認知規(guī)律的學(xué)習(xí)資源、啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生釋放出潛在的好奇心，產(chǎn)生對事物的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們主動探索的熱情和創(chuàng)造力，如果對一件事物感興趣，則會主動地去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題并最終解決問題，這樣才能體現(xiàn)STEAM 教學(xué)真正的意義，而非單純的模仿搭建模型，或者學(xué)習(xí)難懂的高科技機器人.在對新事物的探究創(chuàng)新過程中，難免會遇到困難，但我們可以以團隊為導(dǎo)向，在鉆研新事物或創(chuàng)新改進的過程中，發(fā)揮團隊力量，凝練團隊智慧，善于與同伴交流意見，交換思想，再難的問題也會克服解決，這也展現(xiàn)了中華民族五千年團結(jié)精神的優(yōu)良傳統(tǒng)美德.

1.2 教材分析

本節(jié)課選自2019版人教版高中物理選擇性必修第二冊第四章第3節(jié)“無線電波的發(fā)射和接收”，是前兩節(jié)“電磁振蕩”和“電磁場與電磁波”基礎(chǔ)知識后的深入學(xué)習(xí)，介紹了無線電波的發(fā)射和接收原理及實際應(yīng)用[3～6].基于相關(guān)物理科學(xué)知識，設(shè)計一堂以無線電波發(fā)射和接收為核心的創(chuàng)新實驗課，借助所學(xué)知識，并以提供的材料為前提，以小組為單位，創(chuàng)造屬于自己的科技制作.這個過程不是教師建模，學(xué)生按部就班地去模仿，而是在他們現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)上，結(jié)合團隊互助協(xié)作，自己動手動腦去開發(fā)創(chuàng)新.

1.3 學(xué)情分析

高二的學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了選擇性必修第二冊第四章“電磁振蕩”和“電磁場與電磁波”相關(guān)物理知識，而且也學(xué)習(xí)了必修第三冊第十三章“電磁感應(yīng)及電磁波起步”相關(guān)內(nèi)容，同時，還學(xué)習(xí)了力學(xué)和電磁學(xué)其他相關(guān)科學(xué)知識.已經(jīng)具備一定的科學(xué)素養(yǎng)和邏輯推理能力，在解決問題時，只是需要思考如何將所學(xué)科學(xué)基礎(chǔ)知識通過數(shù)學(xué)推理和技術(shù)開發(fā)運用到工程實踐中，并體現(xiàn)其中蘊含的藝術(shù)元素，這就要求他們合作交流，共同動手去實現(xiàn)它.

1.4 教學(xué)目標

本節(jié)課的STEAM教學(xué)目標如表1所示.

表1 STEAM教學(xué)目標

物理觀念(科學(xué))：理解力學(xué)、電磁學(xué)知識；了解電磁波的應(yīng)用及帶來的影響；知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收原理.

科學(xué)思維(數(shù)學(xué))：能基于科學(xué)知識建立物理模型，能利用數(shù)學(xué)知識進行科學(xué)推理和論證，對建立的船模提出質(zhì)疑和改進，培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問題的能力，及敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的意識.

科學(xué)探究(技術(shù)與工程)：通過學(xué)習(xí)電磁波理論，設(shè)計船模制造方案，體驗科學(xué)探究過程，對結(jié)果進行分析和評估.培養(yǎng)學(xué)生的動腦動手、團隊協(xié)作及解決實際問題的能力.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(藝術(shù))：通過船模制作認識科學(xué)本質(zhì)，滲透科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境理念，踐行“嚴謹求實、團結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻、勇攀高峰”的中國載人深潛精神，傳承偉大的中國智慧和工匠精神.并在制造船模過程中，體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)美、守恒美等藝術(shù)元素.

2 “無線遙控船模”制作過程

2.1 創(chuàng)設(shè)情境 進入新課

進行新課教學(xué)前，播放 “奮斗者”號載人潛海視頻，2020年11月10日在馬里亞納海溝“奮斗者”號創(chuàng)造了中國載人深潛的新紀錄，深度達到10 909 m.看完這段震撼人心的“奮斗者”號潛海視頻，我們無不為中國的探索精神感慨.“奮斗者”號研制及海試的成功，標志著我國具有了進入世界海洋最深處開展科學(xué)探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國在海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力.從“蛟龍”號、“深海勇士”號到今天的“奮斗者”號，研究者以嚴謹科學(xué)的態(tài)度和自立自強的勇氣，踐行“嚴謹求實、團結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻、勇攀高峰”的中國載人深潛精神，為科技創(chuàng)新樹立了典范.作為新一代青少年，我們更應(yīng)該弘揚科學(xué)精神，敢于質(zhì)疑和創(chuàng)新，勇攀深海科技高峰，為加快建設(shè)海洋強國、為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢而努力奮斗，為人類認識、保護、開發(fā)海洋不斷做出新的更大貢獻.下面，我們以4人為一個小組，用所學(xué)過的知識建立屬于自己的小船，并為它命名，讓它承載著我們的夢想，駛向遠方，駛向美好的未來.

2.2 設(shè)計方案 制作船模

(1)材料準備

木板、電動機兩個、接收器電路板、發(fā)射器電路板、電線、螺絲若干、電池盒、1.5 V電池5節(jié)、螺旋風(fēng)葉、雙面膠、天線兩根、礦泉水瓶等，如圖1所示.

圖1 材料準備

(2)制作過程

學(xué)生通過小組合作，利用所學(xué)知識自主思考和探索研究，教師可巡視指導(dǎo)學(xué)生完成.具體實驗操作如下：

1)準備材料，如圖1所示 .

2)用7 mm螺絲把接線板和圓孔墊板安裝在船板上,如圖2(a)所示.

3)將電機板安裝在電機上，如圖2(b)所示.

4)將電池盒安裝在另一船艙甲板上，并用粗螺絲把船艙固定好，連接好電路，如圖2(c)～(g)所示.

5)用4 mm粗螺絲把L型天線和接收板的白色導(dǎo)線頭安裝在甲板上，再把螺旋槳安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，如圖2(h)、圖2(i)所示.

6)把雙面膠貼在橫板上，另一面粘在甲板上，如圖2(j)、圖2(k)所示.

7)把橫板的兩端粘在空礦泉水瓶上，這樣船體部分就完成了，如圖2(l)所示.

圖2 船模安裝圖

(3)無線遙控器制作過程

1)用7 mm粗紋螺絲把遙控板安裝在板上，如圖3(a)所示.

2)將電池盒和遙控器導(dǎo)線連接，在雙節(jié)電池盒上粘上雙面膠，另一面粘在板上，如圖3(b)所示.

3)用4mm粗紋螺絲把天線和遙控板白色導(dǎo)線頭安裝在板上，這樣，遙控器安裝也完成了，如圖3(c)所示.

圖3 無線遙控器安裝圖

3 原理分析

3.1 船的受力

船在水中受豎直向下的重力G和豎直向上的浮力F浮，根據(jù)初中所學(xué)沉浮條件,重力與浮力，船的密度與液體的密度關(guān)系如表2所示.

表2 船模在水中受力

3.2 動力來源

“無線遙控船模”的動力來源是微型電動機，它是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的一種設(shè)備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及原理圖如圖4和圖5所示.

圖4 微型電動機結(jié)構(gòu)圖

圖5 微型電動機原理圖

微型電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成.定子在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生固定的磁場，磁場可以是永磁體或者電磁繞組產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子由多個繞組組成，當繞組受到激勵時，會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，磁極與定子的磁極相反，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動.換向器又稱整流子，將電刷上的直流電源換成交流電源，能將電樞線圈中感應(yīng)發(fā)生的交變電動勢改為正負電刷上引出的直流電動勢.電動機是利用線圈所受“電磁力”而旋轉(zhuǎn)，電磁力等于磁通量密度B與電流I和導(dǎo)體長度L的乘積，即F=BIL.

3.3 無線遙控操控

要有效地發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有如下兩個特點.第一，要有足夠高的振蕩頻率.振蕩電路向外界輻射能量的本領(lǐng)，與振蕩頻率密切相關(guān).頻率越高，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)就越大.因此，要發(fā)射電磁波，就需要用振蕩器產(chǎn)生很高頻率的電磁振蕩.第二，振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，這樣才能有效地把能量輻射出去.船模無線遙控主要由發(fā)射機(圖6)和接收機(圖7)控制.

圖6 無線發(fā)射機 圖7 無線接收機

遙控發(fā)射機操控船模方向，其指令是通過控制開關(guān)和按鈕，經(jīng)過內(nèi)部編碼電路調(diào)制編碼，再通過高頻信號放大電路將電磁波從天線發(fā)射出去.遙控接收機是用來接收無線電信號，處理來自遙控發(fā)射機的無線電信號，將所接收的信號進行放大、整形、解碼，并把接收來的控制信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行電路可以識別的音頻信號或是數(shù)字脈沖信號，傳輸給船模上的其他執(zhí)行機構(gòu)，船模就會通過這些執(zhí)行機構(gòu)來完成我們所發(fā)出的動作指令.

4 思政教育

4.1 物理學(xué)史

1887年赫茲證實了電磁波的存在.實驗裝置如圖8所示.

圖8 赫茲實驗原理圖

他將兩個大銅球通過銅棒連接在兩個靠得很近的更小的銅棒上，兩個大銅球作為電容，當發(fā)生器線圈的開關(guān)斷開時，線圈對電容充電，當電壓達到2萬伏左右時，會擊穿空氣，產(chǎn)生電火花，電荷從中穿過，形成一個高頻振蕩回路，產(chǎn)生變化的電流，形成變化的電場和磁場，繼而產(chǎn)生電磁波.赫茲把產(chǎn)生電磁波的裝置稱“振蕩偶極子”.現(xiàn)在需要一個電磁波檢測器來驗證電磁波的存在，他想到了電磁共振，即諧振.于是他制作了一個斷開的金屬環(huán)，將兩個金屬小球連接在斷開的兩端，如果發(fā)生諧振，小球之間也會產(chǎn)生電火花，這就是檢波器，稱“共振偶極子”.赫茲經(jīng)過無數(shù)次的實驗，終于證實了麥克斯韋預(yù)言，發(fā)現(xiàn)了看不見摸不著的電磁波.之后，他又馬不停蹄地做實驗，確認了電磁波的衍射、干涉等特性.赫茲的發(fā)現(xiàn)為人類開啟了“信息時代”的新紀元，無線通訊、遙感遙控、衛(wèi)星導(dǎo)航及家用電器等各種應(yīng)用蜂擁而至.人們?yōu)榱思o念赫茲的偉大成就，把頻率的單位命名為赫茲.每一位偉大的科學(xué)家都曾潛心研究科學(xué)問題數(shù)十載，為了科研甚至廢寢忘食，生活捉襟見肘，但依然將一生奉獻給科研，他們的奉獻鉆研精神、對真知的執(zhí)著追求和敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度值得每一位同學(xué)去學(xué)習(xí).

4.2 科技前沿

縱觀古今中外，人類對自然奧秘充滿神奇和向往，并為之不斷進行探索，早在1960年，美國就設(shè)立射電望遠鏡尋找“外星人”，他們就是利用電磁波來搜索宇宙中的無線電信號，遺憾的是，至今未發(fā)現(xiàn)所謂的“外星人”信號.南仁東先生所引領(lǐng)創(chuàng)造的被譽為“中國天眼”的500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST)是世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，它可以搜索和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星，正在探索宇宙外星文明.人類不僅設(shè)立望遠鏡接收外界信號，也向宇宙發(fā)出電磁波向“外星人”問好，不過未發(fā)現(xiàn)任何回應(yīng)，目前發(fā)現(xiàn)存在人類文明的星球只有地球，所以我們要保護好我們賴以生存的家園，保護環(huán)境，節(jié)約資源，為美麗地球村做出貢獻.同時，我們要學(xué)習(xí)南仁東先生不怕吃苦，勇于奮斗的攻堅精神，為我們祖國在未來探索宇宙的藍圖上增添一筆輝煌的色彩.

4.3 總結(jié)與反思

一千個觀眾眼中就有一千個哈姆萊特，基于STEAM 理念的項目式探究學(xué)習(xí)過程中，我們面對的是成千上萬的鮮活的有創(chuàng)造力、有潛能的學(xué)生，有一千個學(xué)生就有一千個創(chuàng)作，只需要提供符合他們個性發(fā)展的學(xué)習(xí)環(huán)境和資源，給予他們適當?shù)闹敢蛦l(fā)，讓他們的創(chuàng)新思維盡情的在STEAM 教育的舞臺上釋放[7,8].船模制作不止上述一種創(chuàng)造方法，可以加上新能源的利用，安裝太陽能板，變成動力和新能源兩用船，既保護了環(huán)境，節(jié)約了能源，也增加了多功能體驗；將礦泉水瓶改成美觀的船殼，將甲板進行染色，增添美觀，體現(xiàn)了STEAM教育理念中的“藝術(shù)”理念；還可以改裝成水陸兩棲船，增加多功能性.還有更多的設(shè)計理念等著這些富有潛力的學(xué)生去開發(fā)創(chuàng)造.學(xué)生可發(fā)揮創(chuàng)造力，對自己的船模進行多樣命名和設(shè)計，比如“不倒泰坦尼克號”“鯤鵬號”等.

5 結(jié)束語

通過本節(jié)課“無線遙控船模”的項目制作過程，滲透物理核心素養(yǎng)和STEAM素養(yǎng).學(xué)習(xí)中國科學(xué)家不懼艱險、不怕吃苦和勇于奮斗的探海精神，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和工匠精神，鼓勵學(xué)生要敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新，將來為加快建設(shè)海洋強國，實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢而努力奮斗，為祖國實現(xiàn)兩個一百年奮斗目標，實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化強國目標而崛起，將來在航海、航空等領(lǐng)域貢獻中國智慧和中國力量.