STEM视角下的综合实践活动教学实践研究——以“三极管检测仪的设计与制作”为例

浙江省桐乡市凤鸣高级中学(314500) 许建明

1 STEM教育简介

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的英文缩写,是基于问题学习、项目学习以及工程设计等方式将这四门学科融合的教育。它源自美国,强调将原本分散的四门学科自然组合形成整体,实现跨学科教学,以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能,并运用于解决现实中的问题。

对比中美两国STEM教育发展历程可知,如图1所示,中国STEM教育起步较晚但发展迅速,由于STEM教育在国外仍处于发展阶段,全盘引进我国易引起“水土不服”。有学者表示我国一些相对落后的地区远没达到1996年《美国国家科学教育标准》的水平,现在大规模引进将欲速则不达。因此,本文认为“珠-线”(beadsandthreads)模型更符合我国实际国情,以项目为珠,线绳代表课程中的核心概念和基本技能,数学、科学、技术三条线代表在工程设计中使用的学科领域。

图1 美国(左图)和中国(右图)STEM教育主要发展历程

2 STEM与综合实践活动的结合

综合实践活动是在教师引导下,学生自主进行的综合性学习活动,是基于学生经验,密切联系学生自身生活和社会实际,体现对知识的综合应用的实践性课程。其教学理念和STEM教育模式有很多相似之处,以STEM视角去开展综合实践活动,既可以发掘新的活动组织模式,又对学科教学有很好的参考意义。

3 STEM教育视角下综合实践活动的设计

在STEM教育实践中常见的教学手段有基于工程设计、问题解决以及项目探究等,在综合实践活动中经常选用基于工程设计的方式。本文以三极管检测仪的设计制作为例,说明STEM如何整合到综合实践活动中。

3.1 活动目标

综合实践活动具有综合性、实践性、差异性和生成性等特点,注重学生在实践中发现并激发潜能,使综合能力得到提升。本次活动属于科技制作类型,因此确定了如下目标：

(1)学会如何查找和筛选信息,培养简单的调查研究能力；

(2)从合理人机关系出发,初步学会如何确定产品的功能；

(3)在电路安装与调试过程中,锻炼学生的动手能力和问题解决的能力。

3.2 操作方式

科技制作类活动主要是从功能需求出发,利用简单的科学原理和技术将其变为现实。而基于工程设计正是一条有效的途径。参考美国生物学课程研究所(BSCS)开发出的5-E教学模式,即参与(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、详细说明 (Elaboration)、评价(Evaluation)5个学习阶段,以学生为中心,在产品的设计与制作过程中学习知识并解决实际问题,通过小组合作提高学生的协作能力与团队合作精神。

3.3 5-E教学模式

参与阶段：该阶段主要是激发学生参与活动的兴趣和好奇心,实现与已有学习基础的联系,便于教学活动的开展。

探究阶段：此过程给学生一定的时间去设计分析形成方案,教师提供材料进行引导,学生在制作过程中探索建立起科学、技术、工程以及数学等学科间的联系,即STEM提倡的做中学过程。

解释阶段：该阶段为学生提供交流、反思、改进的机会,引导学生对探索的结论进行分析和交流。

详细说明阶段：该阶段学生巩固和扩展刚获取的知识或技能,并通过修改方案或实验进一步探究。

评价阶段：评价贯穿整个教学过程,通过评估标准,学生和教师一起对学习过程进行评价。

这五个阶段是逐渐深入、教师和学生都有明确分工的过程,教师主要是引导学生对具体内容提出有待探索的问题,进而开展研究。学生通过分析活动经验,促进其所学知识的进一步深度探索,实现概念或技能在新环境和新应用中转化为更复杂的问题和知识的迁移。

4 “三极管检测仪的设计与制作”活动案例

4.1 参与阶段

活动重点：教师引导学生回顾生活中见过的各种检测仪以及多用电表检测三极管的原理,明确活动目标。

主要教学活动：教师让学生列举生活中常见的检测仪,特别是它们如何实现信息交互。学生回答：温度计、测电笔、烟雾报警器等,它们通过声音、光线、震动等形式快速方便的传递检测结果。

学生回顾多用电表检测三极管的过程：用多用电表分别检测三极管两个PN结正向和反向的电阻,由此推断出三极管的好坏(CE间断开或击穿),或者需要判断三极管类型时也要用到类似的方法。

考虑到这样操作比较繁琐,于是萌生出一个想法：能不能设计一个能同时检测晶体三极管好坏及其类型的仪器呢?

引入活动主题：晶体三极管好坏及类型检测仪的设计与制作。

4.2 探究阶段

为了提高活动效率,让电路修改测试便捷,前期要学生在Multisim仿真软件上设计并调试好电路原理图,后期焊接电路就非常方便。教师展示三极管好坏及类型检测仪实物,并提示制作要点,学生分组合作设计并调试电路图。

教师展示三极管好坏及类型检测仪实物,如图2所示。教师提示电路设计要点：利用555芯片、R、C构成多谐振荡器作为输入部分；两个不同颜色LED反向并联,利用三极管开关特性,使两个LED发出不同的光信号以此传递检测结果。学生在教师指导下以小组为单位在Multisim环境中设计并调试,看是否达到检测三极管的效果。

图2 三极管好坏及类型检测仪

4.3 解释阶段

通过展示各组的模拟电路图是否能达到预期效果,引导学生讨论LED闪烁周期的影响因素,以及如何使灯光信号更明确。

每个小组演示所设计电路 (见图3)的模拟效果。接入不同类型的好、坏三极管时,有的红、绿LED闪烁情况不同；有的闪烁特别快或是特别慢；还有的两灯都一直闪烁无法达到检测效果。教师引导学生观察各个电路图的不同之处,从电路设计、元件参数、灯光信号定义等方面进行讨论分析,特别是那些不成功的电路图,寻找原因。学生通过对比讨论发现：C1和R1参数不同时,LED闪烁快慢有的相同有的不同；R3和R4值不同,或是R3、R5并联电容器后LED闪烁效果更好 (如：红色LED闪烁时绿色LED一直不亮),这是为什么呢?

图3 学生设计的三极管检测仪电路图

教师解释电路工作原理。输入部分：结合555芯片功能可知,闭合开关S,电容C1原来不带电A点(2、6脚)为低电平,2、6脚为低电平时3脚输出高电平,C1通过R1开始充电,在A点还未升到高电平时,3脚保持输出高电平；当A点升为高电平时,3脚输出低电平,C1通过R1放电A点电平下降,在A点还未下降至低电平过程中,3脚保持输出低电平；当A点下降为低电平时,回到起始状态。依次循环,使B点(3脚)输出方波信号(电容器充放电)。

控制处理及输出部分：B点(3脚)为输出的方波信号,e、b、c为待测三极管Vx的三个电极接入端。由于待测三极管有三种情况：好的NPN型、好的PNP型、坏三极管(击穿或内部断路)。以下分类简述电路原理。

(1)好的PNP型：B点为高电平时7脚截止,V1导通C点为低电平,Vx导通D点为高电平,则LED1亮、LED2不亮；B点为低电平时7脚导通,V1截止C点为高电平,Vx截止D点为高电平,则LED1、LED2都不亮；这样B点为方波信号时,LED1闪烁,LED2一直不亮。波形图如图4所示。

图4 Vx为PNP型时C、D间电压波形图

(2)好的NPN型：B点为高电平时7脚截止,V1导通C点为低电平,Vx截止D点为低电平,则LED1、LED2都不亮；B点为低电平时7脚导通,V1截止C点为高电平,Vx导通D点为低电平,则LED1不亮、LED2亮；这样B点为方波信号时,LED1一直不亮,LED2闪烁。波形图如图5所示。

图5 Vx为NPN型时C、D间电压波形图

(3)坏三极管(击穿或内部断路)：同理可知,当三极管Vx内部短路或断路时,LED1、LED2要么交替闪烁,要么都不亮。

为什么C1和R1参数不同时,LED闪烁快慢有的相同,有的不同呢?

教师解释：LED闪烁周期与C1的充放电时间有关,根据RC电路充放电时间公式：Vc(t)＝Vc(∞)＋[Vc(0)-Vc(∞)]e-t/τ(Vc(t)、Vc(∞)、Vc(0)分别为电容器任意时刻电压、充满时电压、初始时电压,τ＝RC为时间常数可知时间与RC乘积有关。

为什么R3、R5并联电容器后LED闪烁效果更好呢?

教师解释：在基极输入回路中增加一个电容(增速电容器),3脚为高电平时,增速电容充电给三极管一个短时的大电流缩短到达饱和区的时间；3脚为低电平时,相当于把信号输入接地,电容放电会给三极管一个短时的反压提高截止效果,进而提高开关速率。由于三极管开关特性更好,就能使一个LED闪烁时另一个可靠截止。此问题较难,可作为活动延伸部分。

4.4 详细说明阶段

小组定量讨论分析LED闪烁周期与C1、R1值的关系。

由于活动的对象是高中二年级学生,对电容器充放电原理、指数函数等知识有一定的了解,为此教师可在学生讨论、计算后进行解释说明。

教师解释：由555芯片功能表可知,当2、6脚升至2Vcc/3时,3脚输出低电平；当2、6脚将至Vcc/3时,3脚输出高电平。

代入数据可得周期为T＝2R1C1ln2,占空比q为50%,说明闪烁周期与R1、C1的乘积成正比,且一个闪烁周期中亮和灭是时间相同。

随后,教师进一步提问,引导学生思考：如何调试电路?如何设计检测仪面板?该检测仪能否检测二极管的好坏等。通过回答这些问题,既可以巩固学到的知识,对后期检测仪电路焊接、面板制作也有很大的帮助。本活动所用的主要知识见表1,活动安排见表2。

表1 三极管检测仪设计与制作涉及的主要知识

表2 三极管检测仪设计与制作时间安排表

4.5 评价阶段

本活动采用多角度、全过程、自评互评一体的评价方式,在活动前就让学生熟悉并明确评价标准见表3,可以采用学生自评、互评、教师评价的方式,在活动过程中也能不断引导学生完成任务目标。

表3 三极管好坏检测仪设计与制作活动师生评价表

5 结束语

STEM教育立足于现实生活中的问题,以工程设计为主导,引导学生提出自己的解决思路,它代表着一种现代教育哲学,更加注重学习过程,在不断试错中发现、分析和解决问题。同时它还能培养学生各方面技能和认知能力,在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系,在各学科交互运用过程中,实现深层次的学习,提升综合能力。

将STEM教育模式渗透到综合实践活动过程中,既可以引导学生形成基本的科学探究和设计的意识,提高对涉及领域内容的兴趣和关注度,同时也为综合实践活动教学注入了新活力。