STEAM 教育理念下電場自動測繪儀的開發

摘 要 將靜電場教學實踐中遇到的問題，作為課外拓展課題研究是新工科人才培養的有效方式之一。本文基于STEAM 教育理念，采用項目式學習，以學生為主體，以跨學科融合和創新為導向，制定教學目標和教學方法。將物理理論和實驗創新有機融合，引導學生結合單片機技術和Matlab程序，設計出新型可視化電場自動測繪儀。該儀器操作簡便高效，測量精度高，還能直觀展示電場的動態變化。而學以致用的過程，提高了學生的創新能力和知識綜合運用能力，也為高校的教學改革提供了新思路。

關鍵詞 STEAM 教育理念;項目式學習;電場自動測繪儀

密立根說：“科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗。有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。只有使用兩條腿，才能前進。”大學物理是高校理工科各專業的基礎必修課，對培養學生的科學素養、高階思維和創新能力起著重要作用，但傳統教學中“重理論、輕實驗”的情況，不利于學生實踐能力的培養。隨著新一輪科技革命和產業變革的到來，如何培養新工科背景下新經濟所需的實踐創新能力強的高素質復合型人才，已成教學改革探討的熱點問題[1，2]。

新工科強調學科的實用性、交叉性和綜合性，而傳統教學缺乏綜合能力培養。2015年，教育部提出要探索STEAM 新教育模式，加快創新型人才的培養步伐[3]。STEAM 教育是集科學、技術、工程、藝術和數學為一體的多學科綜合性教育，是一種重實踐的超學科教育理念。它打破常規學科界限，以跨學科融合和創新為導向，增強學生解決實際問題和終身學習的能力。因物理學科與STEAM 教育理念共融，故在物理教學中融入STEAM 教育的可操作性更強[4]。通過項目式學習能有效進行深度學習，并培養學生的核心素養[5]。

大學物理中研究靜電現象及其應用時，需要確定帶電體周圍的電場分布情況，但電場理論抽象難懂，大都不能求出其電場分布，往往采用實驗方法模擬測繪。實際教學中，就有“用模擬法測繪靜電場”的經典實驗，所用實驗裝置基于打點法，實驗者要描繪電場分布就需手動測量待測電場中上百個位置的電勢值，操作耗時、誤差大。鑒于此，不少研究探討了此實驗，例如：有研究用指數擬合法、二元線性回歸法等數據處理方法來減小誤差[6];也有研究以此實驗為對象，開發了虛擬仿真實驗，豐富實驗教學內容[7]。但進一步融合大學物理和實驗，開發電場自動測繪儀仍是很有意義的課題。

本文在STEAM 教育理念下，開展大學物理的課外拓展課題研究。結合教學實踐中發現的問題，采用項目式學習，引導學生對電場測繪儀進行開發。筆者團隊運用單片機技術和Matlab軟件，設計開發了一種能同時測出多個位置電勢的新型電場自動測繪儀。

1 STEAM 教育的教學目標和教學方法

1.1 教學目標

基于STEAM 教育理念制定課外拓展課題的教學目標時，要注重跨學科融合性、實踐互動性和開放自主性。結合“電場自動測繪儀”的設計思路，從知識、技能、思維、素養四個維度設定了教學目標，如表1所示。

1.2 教學方法

根據教學環境和學生實際情況，在項目式學習中融入了三種教學方法[4]。

（1） 實驗探究法：教師作為組織者，讓學生通過親身參與實驗的設計操作、測試交流和評價優化過程，探索出解決問題的方案，增強高階思維能力。

（2） 合作討論法：以小組形式，通過分工合作、取長補短共同完成開發項目。這種方法很適合綜合性強的項目式學習，能發揮團隊優勢。

（3） 自主學習法：以學生為認知主體，培養其獨立思考和自主學習能力，變“學會”為“會學”。

2 STEAM—項目式學習的實施過程

2.1 項目前期

（1） 發現問題、確定任務。在教學中，先讓學生完成傳統的靜電場測繪實驗，鼓勵學生用心觀察體會，提出問題，并將發現的問題匯總。然后，在教師引導下探討確定課題研究任務。理論聯系實際，激發學生的創新意識。

（2） 設定目標、團隊分工。項目基于STEAM教育理念，以學生為主體，從科學、技術、工程、數學和藝術五方面構建多元化的學習目標。

按圖1所示流程，展開設計研究工作。先在教師組織下，根據自身特長確定分組成員。然后，針對現有測繪儀的不足之處，通過自主學習，掌握項目所需的物理、實驗、單片機和計算機等相關理論知識。

2.2 項目中期

（1） 教師引導、分組設計。在教師引導下，將所學理論知識和單片機技術、編程技術、實驗技術用于設計系統裝置和儀器制作。各小組具體任務如表2所示。

學生將多學科知識融會貫通，構建綜合知識體系，實現知識的橫向互補。鼓勵學生提出多元設計方案，體驗失敗。在發現、解決現實問題的過程中體驗科學探究的樂趣，提升學生的實踐能力。

（2） 分組實驗、展示交流。要用穩恒電流場模擬靜電場，就要使兩者滿足相同的數學方程和邊界條件。即①所測電極的形狀和帶電體的幾何形狀相同;②電極和導電介質要接觸良好，導電介質是均勻各向同性介質;③電極的電導率遠大于導電介質的電導率。因此，實驗采用與電源正負極連接的兩個點電極的穩恒電流場來模擬等量異號的點電荷系的電場，而導電介質選擇與電極接觸良好且導電率均勻的導電溶液。分兩組進行實驗，分別選用0.5mol/L 的Na2SO4 溶液和0.5mol/L 的NaHCO3 溶液。然后結合數學對實驗結果進行數據分析，兩組進行展示交流。通過實驗探究和展示交流，提高了學生的操作技能和組織表達能力，還能培養學生的科學態度，體會數學的嚴謹之美。

（3） 師生探討、優化方案。師生根據實驗結果對實驗裝置反復交流探討，找到設計中的不足，不斷優化，形成的最終設計方案如下：

系統裝置如圖2所示，主要包括電場測繪儀模塊、導電溶液盒和輸出顯示單元。探針均勻分布在測繪儀的主體電路板上，可同時測出不同場點處的電勢值，提高了實驗的效率和精度。

該系統裝置的工作流程如圖3所示。測繪儀的主體由核心板和電勢測量主板構成，儀器通過單片機控制主板芯片，選擇待測探針，打開對應通道，高效準確地采集處理電勢數據，實現自動測量功能。

設計的電勢測量主板主要包括譯碼器、模擬開關、探針等，其電路原理圖和焊接完成的實物分別如圖4和圖5所示。此設計不僅便于系統搭建和故障排除，還可在不犧牲性能的情況下節約成本。

裝置的控制及測繪系統由單片機控制，其控制模塊的軟件流程如圖6所示。先設定采樣通道次序和中斷函數，再通過探針測量單通道電壓，并進行A/D 轉換，然后判斷是否符合數據采集條件。若符合條件，就通過串口將數據發送到電腦;若不符合條件，就改變測量通道，重復操作，直到完成對整個穩恒電流場的測量。

結合Matlab軟件具有實時數據采集處理并將數據可視化的優勢[8]，裝置通過串口把數據發送給電腦，運行組員編寫的Matlab程序就能自動繪制成圖。這比手工繪圖更準確美觀，還能實現動態監測。學生在體會學以致用的成就感時，也強化了創新思維和團隊協作能力。項目有效融合多學科知識，體現了STEAM 教學的跨學科融合性;而自主設計的過程，也體現了STEAM 教學的實踐互動性和開放自主性。

2.3 項目后期

（1） 系統測試、總結評價。開發的測繪儀具體操作方法如圖7所示。

對儀器進行系統測試，繪制出可視化電場分布圖，如圖8和圖9所示。這使大學物理中抽象的電場分布直觀形象化，能深化學生對靜電場理論的理解，還能感受物理學的理性美和科學的簡潔美。

為了檢驗實驗結果的準確可靠性，再用COMSOL仿真軟件對相同濃度的Na2SO4 溶液和NaHCO3 溶液中的電場分布進行仿真模擬，如圖10所示。

研究結果顯示，實驗所測兩種導電溶液中點電極的電場線分布均與等量異號的點電荷系的電場線分布相符，且與COMSOL 軟件的仿真結果也吻合。可見，實驗選用的導電溶液只要符合設計方案中的條件就可以，其測量結果是相同的。圖像邊緣在細節上與理想電場存在一些小的差異，分析其原因，主要是由于實驗所用導電溶液盒大小有限，實際的測量結果受到有限邊界的影響。

總體而言，相較于傳統的靜電場測繪實驗，優化改進后的電場自動測繪儀操作簡便，能高效精準地測繪更多數據點，使模擬圖線平滑美觀，也使測繪結果更合理可靠。實驗還可拓寬測繪范圍，測量不同電極系統在不同導電介質中的電場1分布。

（2） 解決問題、反思改進。通過項目開發，解決了教學中的實際問題，豐富了大學物理和實驗的教學內容，增強了學生的知識遷移能力。今后還可將電極系統放置在可升降的支架上，通過調節支架高度測量導電溶液內不同深度處的電場，繪出三維電場分布圖。也可以進一步優化電路板設計，提高集成度，讓儀器更精巧。

3 結語

本文基于單片機技術和Matlab程序，自主設計開發了一套可視化的電場自動測繪儀。該儀器不僅兼具傳統儀器的功能，還具有操作簡便高效、精度高、數據可視化等優點。

整個開發過程基于STEAM 教育理論，建立多維度的教學目標進行全方位育人。把不同學科的知識整合在項目中，讓學生融會貫通，學以致用。通過團隊探索，以發現、解決實際問題為核心，從知識、技能、思維和素養四個維度提升參與者的創新能力和知識綜合運用能力，也培養了學生的跨學科思維和批判性思維。而團隊合作增強了學生的協作溝通能力和責任感，在潛移默化中提升了學生的工程素養。這為新工科背景下創新型應用人才的培養和大學物理教學改革提供了新思路。

參 考 文 獻

[1] 胡啟昌， 吳義炳， 陳美香. 新工科、新高考背景下大學物理課程教學模式改革分析———大學物理課程“模塊化”教學改革[J]. 物理與工程， 2022， 32（3）： 67-70.

HU Q C， WU Y B， CHEN M X. Analysis of teaching modereform of college physics under the background of new engineeringand new college entrance examination—On the reformof “modularization” teaching of college physics course[J]. Physics and Engineering， 2022， 32（3）： 67-70. （inChinese）

[2] 李海英， 唐笑年， 何越， 等. 新工科背景下“大學物理”課程建設的思考[J]. 物理與工程， 2018， 28（S1）： 122-123.

LI H Y， TANG X N， HE Y， et al. Thoughts on the courseconstruction of university physics under the background ofemerging engineering education[J]. Physics and Engineering，2018， 28（S1）： 122-123. （in Chinese）

[3] 袁磊， 鄭開玲， 張志. STEAM 教育：問題與思考[J]. 開放教育研究， 2020， 26（3）： 51-57， 90.

YUAN L， ZHENG K L， ZHANG Z. STEAM education：Issues and reflections[J]. Open Education Research， 2020，26（3）： 51-57， 90. （in Chinese）

[4] 劉健智， 胡惠琪. 物理教學融入STEAM 教育：物理—STEAM 課程教學模式的構建[J]. 物理教學， 2022， 44（6）：15-19.

LIU J Z， HU H Q. Integration of physics teaching intoSTEAM education： Construction of Physics-STEAM courseteaching model[J]. Physics Teaching， 2022， 44（6）： 15-19.（in Chinese）

[5] 姜爽. 深度學習理念下物理學科項目式學習路徑設計———以“創意吉他制作”為例[J]. 物理教師， 2022， 43（2）： 34-38.

JIANG S. Project-based learning path design for physicssubject under the concept of deep learning—Taking “creativeguitar making” as an example[J]. Physics Teacher， 2022，43（2）： 34-38. （in Chinese）

[6] 李立， 張皓晶， 張雄， 等. 靜電場模擬實驗的教學研究[J].大學物理， 2020， 39（5）： 27-30， 37.

LI L， ZHANG H J， ZHANG X， et al. Teaching researchon simulation experiment of electrostatic field[J]. CollegePhysics， 2020， 39（5）： 27-30， 37. （in Chinese）

[7] 朱海豐， 楊駿， 滕緒山， 等. 基于萬維引擎平臺的VR 虛擬仿真實驗自主開發———以模擬法測靜電場實驗為例[J]. 物理與工程， 2022， 32（1）： 131-135， 142.

ZHU H F， YANG J， TENG X S， et al. Independent developmentof VR simulation experiment based on Veryenginesoftware platform—Taking the experiment of electrostaticfield measurement as an example[J]. Physics and Engineering，2022， 32（1）： 131-135， 142. （in Chinese）

[8] 欒玲， 劉杰， 馮立軍. 基于MATLAB的點電荷系電場分布的用戶圖形界面設計[J]. 物理與工程， 2016， 26（4）： 72-74， 78.

LUAN L， LIU J， FENG L J. Distribution of the electric field ofa point charge system based on the GUI of MATLAB[J].Physics and Engineering， 2016， 26（4）： 72-74， 78. （in Chinese）

基金項目： 江蘇省高等教育教改研究重點項目（2023JSJG683）、江蘇省青藍工程優秀教學團隊建設項目、教育部高等學校大學物理課程教指委（華東地區）高等學校教學研究項目（2023JZWHD01）、大中物理教育銜接工作委員會教學研究課題（WX202313）、中國礦業大學“教育數字化專項”（2022ZX12、2023ZX38）資助。