基于STEM的項目式學習活動“水果電池”的設計

摘要：隨著經濟的迅猛發展，各國之間的競爭日益激烈，主要為科技與人才的競爭。為適應社會發展，教育理念也需不斷更新，因此我國開始尋求新的STEM教育理念和有效的項目式學習模式。STEM理念在美國誕生，被多個國家所認可和接受。近幾年來，STEM教育模式逐漸進入了中國課堂，受到推廣應用。項目式學習是基于項目的學習，是培養學生素養、提升學生能力的一種學習模式，隨著教育改革的進行逐漸受到重視。本文將STEM理念和項目式學習相結合，以制作“水果電池”為例，設計基于STEM教育理念的項目式學習活動。

關鍵詞：STEM項目學習 水果電池 電池電壓大小 電極間距

一、STEM項目學習

STEM項目學習是集科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）多個學科于一體的綜合教育模式，是一種能夠培養學生多學科素養和創新能力的教育模式。學生作為項目式學習的主體，在開展項目的過程中運用所學的知識構建知識體系，在完成項目任務的過程中尋找問題的解決方法，從而培養了學科素養、提升了個人能力。STEM項目學習具有情境性、跨學科性、實踐性、體驗性、協作性等特點，以真實情景中的項目提出為出發點，整合多種學科知識和學習方法，在學習活動中體現學生的個性，發展學生的創造思維，培養學生解決實際問題的能力。

二、“水果電池”項目式學習設計理念

結合物理、數學和化學課程，讓學生充當小科學家角色，通過實驗發現水果能發電，并研究不同水果的電能。通過實驗探究不同種類水果產生的電壓是否相同，探討影響水果電池電壓大小的因素，分析試驗結果，得出結論。

本節課講授的是人教版必修2第三章第二節化學能與電能方面的知識，教材圍繞火力發電介紹了將化學能轉化成電能的基本原理，然后以銅鋅原電池為例來探討原電池的正負極、電極反應式等問題。雖然這種知識引入方式層層遞進，具有很好的邏輯性，但是這些離學生真正的生活環境太遠，學生很難感同身受。因此，為了讓學生能直接親歷化學實驗，我設計引入一個神奇而又有趣的穿越話題，引導學生思考假如穿越后沒有電源如何給手機充電，利用學生身邊的事物來制作奇妙的水果電池，去探討給手機充電的最佳條件，加強鞏固對原電池的工作原理的學習。

三、項目式學習目標

確定課題，以《普通高中化學課程標準》為依據，基于STEM理念設計的“自制水果電池”項目式學習目標如下：

（一）STEM知識目標

1.基于原電池知識的學習，探究原電池的原理及形成條件。

2.通過設計有趣的水果電池，學生能從電子轉移的角度去理解化學能向電能轉化的原理。

3.結合物理、工程、數學、化學等跨學科知識，探究水果電池，知道電流計的使用、水果電池制作工藝。

（二）STEM能力目標

1.查閱制作水果電池的資料，小組合作討論制作水果電池中遇到的問題，培養學生用知識聯系實際的意識、合作學習的能力。

2.設計制作水果電池的方案，探究影響電池電流大小的因素，并不斷改進，設計出最佳方案，培養學生發現問題、整合問題、解決問題的能力。

（三）STEM態度目標

1.通過學習制作水果電池，激發學生的化學學習興趣和熱情，并在以后生活學習中踐行STEM項目式學習。

2.通過制作水果電池的實驗操作，學生感受作為科學家不斷探索和孜孜不倦、精益求精的精神。

四、項目實施過程

（一）創設情境，鞏固舊知識

情景導入：假如你帶著手機穿越了，穿越以后手機很快沒電了，怎么才能給手機充電？怎么樣利用你所學知識解決這個問題呢？我們來一起嘗試解決穿越后面對的這個難題——自制“水果電池”給手機充電。

設計意圖：激發學生設計水果電池的興趣，主動聯系生活與實際，利用化學學科思維解決實際問題，落實化學學科素養“科學探究與創新意識”的培養。

（二）學生提出猜想與假設

1.水果為什么可以導電用來做水果電池？

水果中含有大量糖類、蛋白質、生物酸等物質，其中的生物酸起電解質的作用。往水果中插入不同金屬電極并用導線連接起來，會有電子的轉移，產生電流，形成水果電池。

2.水果電池的電壓與水果的種類有什么關系？

根據原電池的原理及形成條件，推測水果電池所產生的電流大小與水果本身即水果中所含的電解質溶液有關。水果種類不同，所含汁液不同，產生的電壓也不一樣。

3.水果電池的電壓還可能與什么因素有關？

水果電池的電壓還可能與水果汁水狀態，電極金屬片的種類，電極金屬片的距離，電極金屬片的形狀等有關。

設計意圖：引導學生聯系物理、數學、生物等學科知識解決實際問題，設計方案前提出啟發性問題，確定實驗探究方向。提高學生思維嚴謹性和邏輯性。

（三）布置項目驅動性任務

研究項目1：哪些水果能產生電流，適合做水果電池？

（課前已布置，學生已經準備好各種水果，有西瓜、檸檬、橙子、梨。）

先選用酸性較強的檸檬進行實驗。

任務一：檸檬電池實驗步驟

（1）將課前準備好的鋅片和銅片打磨干凈，將銅片和鋅片的一端分別用小鐵夾夾住，再連接導線。

（2）把兩根導線的另一端分別接在電流計的兩個接線柱上，形成串聯電路。

（3）用手輕輕擠壓檸檬，使檸檬內部柔軟，產生較多汁水，但要留心不能把檸檬擠壓破皮。

（4）用刀在檸檬外皮劃開一個小口，把連好導線的銅片和鋅片分別插入檸檬里，保持距離為1厘米，觀察電流計是否偏轉。

（5）如果電流計指針偏轉不明顯或者偏轉角度太小，再接入一個檸檬或兩個檸檬，依次把它們串聯在一起，觀察電流計偏轉角度是否變大。

（6）把電流計替換成發光二極管，接入實驗串聯電路中去。觀察二極管亮度，增加實驗中檸檬個數，直到發光二極管發出較強亮光為止。

設計意圖：初步啟發學生檸檬不僅可以用來發電，還可以接入不同電器使其工作，使學生產生其他水果能否發電、電壓大小的疑問，激發學生制作水果電池給手機充電的興趣和繼續探究的動力。

思考1：除了檸檬，還有什么水果可以做電池？電壓如何？

任務二：多種水果電池分組實驗，制作西瓜電池、橙子、梨電池。

（1）實驗分為三組進行，分別做西瓜電池、橙子電池、梨電池

（2）依據控制變量法，每一組除了采用的水果種類不一樣，水果個數、選用電極材料、電極之間的距離、電極金屬片的種類和形狀等條件均相同。

（3）重復與上述檸檬實驗相似的相關步驟，觀察電流計指針偏轉情況，并記錄讀數。

（4）重復與上述檸檬實驗相似的相關步驟，觀察發光二極管的亮度，用不亮，微亮，較亮，亮，明亮來描述二極管的亮度，以此衡量產生電流的大小。

教師指導：以上步驟是初步設計水果電池，感受水果電池中電壓、電流的存在。接下來請學生思考以上水果電池能否解決我們時空穿越后用水果電池給手機充電的問題?，F有一部改裝后的手機充電器和手機供大家研究使用，請動手實驗。

學生實驗：積極實驗，將改裝后的手機充電器和手機接入水果電池的電路中，接通電路，觀察手機充電情況，發現無明顯變化。

學生提出質疑：為什么手機接入后充電電量無明顯變化？

交流討論：很明顯，水果電池的電壓過低，無法給手機充電。

設計意圖：本實驗的失敗，使得學生認識到科學的進步不是一帆風順的，培養學生不怕困難、嚴謹求實的科學精神。

思考2：影響水果電池電壓大小的因素有哪些？

組織學生討論：通過查閱資料可知，手機充電最小電壓范圍為3.7 V～4.5 V。學生經過討論總結發現，水果種類、果汁多少、水果的新鮮程度、不同電極材料、電極材料的表面積、電極間距離等對水果電池電壓均會產生影響。

教師指導：經查閱資料后發現，在適當范圍內，電極間距離越近越有利于電流產生，采用相同大小，相同材料的金屬鋅片和銅片做電極，分組探究水果種類、果汁多少與狀態對電壓影響，找出最佳水果、最佳果汁狀態，從而提高電壓。

研究項目2：水果電池電壓與水果種類、果汁狀態、電極間距離有什么關系？

教師指導：由于部分水果例如檸檬、橙子存在瓣膜，梨子、西瓜肉多，不利于水果電池中電子的流動，如果把水果榨成汁，水果電池效果會不會更好？電極間距離的大小會不會影響電子的流動？

學生討論：實驗條件有限，檸檬、橙子和西瓜汁水較多，可以直接擠壓獲得果汁；用小刀把梨切碎，再用研缽把切碎的果肉研磨成泥，最后用紗布過濾，獲得梨汁。實驗中，我們必須采用等量的各種果汁進行實驗。電極材料及大小相同，電極間距離設定為1 cm，2 cm，3 cm，進行對比實驗。

優化方案實驗步驟如下：

任務三：探究不同水果果汁的電壓

（1）實驗分三組進行，分別做檸檬汁電池，西瓜汁電池，橙汁電池，梨汁電池。

（2）依據控制變量法，每一組均取體積30 mL果汁于小燒杯中，選用大小、形狀相同的銅片和鋅片作電極材料，電極之間的距離為1 cm，有關因素均相同。

（3）把電流計接入電路，接通電路，觀察電流計指針偏轉情況，并記錄讀數。

任務四：探究電極距離大小對電壓的影響

分組方法同任務三。依據控制變量法，每一組分別設置電極間距離1 cm，2 cm，3 cm做對比實驗，其他條件均相同。接通電路，觀察電流計指針偏轉情況，并記錄讀數。

設計意圖：任務三、四的設計層層遞進，以彌補任務一、二的不足，不斷完善本項目活動中水果電池的制作工藝。加強對原電池工作原理的深入理解，提升了原電池學習課堂效率。但給手機充電的實際問題未能切實完成，有待于學生進一步探索。

五、反思總結

這次實踐活動是對科學知識應用的一次親身體驗，拉近了化學與學生距離，讓學生感受到化學在身邊，有一雙能夠在生活中發現化學的眼睛。這次活動，一是讓學生真正體驗到作為科學家不斷探索并獲得成功的樂趣。二是在實踐中培養了學生團結合作的精神，提升了學生自我思維、分析的能力。三是培養了學生的實驗操作能力、科學創新的能力，提升了學生化學學科核心素養。四是讓學生學會聯系跨學科知識解決問題，并在以后生活學習中踐行STEM項目式學習。五是學生受到了尊重科學、崇尚科學，對待科學要一絲不茍的科學態度教育。

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責任編輯：趙瀟晗