基于STEM学习的初中物理实验设计

黄海

摘 要：本文通过对凸透镜成像实验装置进行改进，提高实验效果，培养学生运用跨学科知识解决实际问题能力，并借此探索开展 STEM素养培养的途径和方式。

关键词：STEM教育 凸透镜成像实验

一、STEM教育概述

STEM教育包含四个学科：Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学），是有目的地整合各学科的教学和学习方法，学生将从中发现并获得能在学术和现实背景中可以运用的概念、能力以及科学、技术、工程和数学思维等，期望教师将学科核心理念与科学研究的内容或工程相结合，进而转化为学生的能力与素养。

STEM项目学习以学生为中心，有意识地参与并整合多个学术领域和多种学习方法来研究某个问题或项目。常见的基于项目的学习流程包括提供真实情境、提出刺激思维的课题、有可利用的资料以作出解决问题的假定、从活动中验证、根据实验得出结论。

二、问题的提出

探究凸透镜成像规律的实验是初中物理中的一个重要实验，很多同学做完这个实验后，对实验中使用的蜡烛非常不满意，主要集中以下几点：

1.烛焰易晃动。当蜡烛烛焰成实像在光屏上，将所成的像与烛焰进行大小的对比时，由于发光的烛焰一直晃动、大小不稳定，不便于测量。据此实验数据来分析总结实验规律的话，将会出现严重错误。

2.物距难定。蜡烛一容易倾斜， 烛焰中心与支架中心可能不在同一刻度线上，有可能造成物距读数的不准确;而且当蜡烛固定后，很难使蜡烛发生某些动态变化，如物体左右移动、上下移动。

3.共轴性会变化。蜡烛燃烧过程中会变短， 时间一长，烛焰中心、凸透镜中心和光屏中心会不在同一高度上。

4.有安全隐患。学生实验时点燃蜡烛要用到火柴， 存在较大的安全隐患。

5.有环境污染。教室里几十支蜡烛同时燃烧，室内空气会被严重污染，影响学生身体健康。

三、设计思路

1.光源。选用白色、蓝色和纯绿色的10mm 超高亮发光二极管作光源。其正向电压均为3V—3.6V。半值角为17～23°，外壳为圆柱形，LED的半球形顶端有聚光作用，大部分光从此处向前射出，具有很高的指向性，适合在光具座上成像。通过20mA下的发光强度分别为白色的是4200～8200 （mcd）、蓝色的是2130～3000（mcd） 绿色的是12000～16000（mcd），亮度高。

2.电路结构。采用的方案有两个。第一个方案只用一个蓝色超高亮发光二极管，串联一個R限流电阻，不同的发光二极管还有不同的工作电流，一般为5～20mA（具体应用请参考管子的实际情况来确定）。“管压降”和“工作电流”这两项为发光二极管最为重要的电参数。只有同时满足这两项电参数才可能使管子正常发光。否则管子要么不亮，要么只亮了一下就被烧毁。但是实际电路中并不存在恰巧合适的电环境，所以为发光二极管配上一个限流电阻的目的就是为其搭建一个合适的电环境，使其两端的实际电压和电流恰巧处在“管压降”和“工作电流”的允许范围内。下面用一个例子介绍限流电阻的选用公式。 如果使用单个锂电作电源，电压为3.7V，发光二极管的正向饱和压降为3V，工作电流定为10mA，则限流电阻R的值就等于电源电压3.7V减去正向饱和压降3V后再除以工作电流10mA，为70欧姆。

即：R=（电源电压-管压降）/工作电流

直插型的高亮管工作电流在5mA左右就可以了。工作电流太高的话会比较刺眼。所以在发光二极管的实际使用中除了要考虑公式以外也要根据实际情况调节限流电阻。我选用两个1号普通碱性电池串联提供3V电源，可以看成限流电阻为0，实测工作电流为3.2 mA，长时间使用工作正常，并没有烧坏，这样可使电路简洁。

第二个方案采用的蓝色、白色、绿色三种高亮发光二极管并联，这三种颜色的电压相同。要注意的是不同颜色的发光二极管也有不同的管压降，工作电压不同的发光二极管不能直接并联使用。

3. 采用普通电池即可。1号电池也可以充当支撑作用，省去座。

四、学生活动设计

五、学生实验制作过程

在实验制作之前，安排学生分小组学习发光二极管和电路的相关知识。引导学生通过讨论，选用不同的方案进行制作，并进行

评价。

1.单个二极管方案。用电烙铁把一个一号电池、开关、发光二极管串联起来，1号电池的正负极先用砂纸轻轻打磨一下，然后快速焊接上导线，再用热熔胶固定好元件、导线和开关。

2.三个二极管方案

把白色、蓝色、绿色三个超高亮发光二极管并联，用电烙铁焊接好，把电池、开关、串联起来，再用热熔胶固定好元件、导线和开关。

六、实验展示和评价

学生使用制作好的LED光源，进行凸透镜成像实验，并对实验改进效果进行评价。

1.单个二极管方案。分别进行立放和侧放，能否清晰呈现倒立放大或者倒立缩小的实像。

2.三个二极管方案。分别进行立放和侧放，是否观察到品字形的实像，三种颜色的圆形实像，调整物距和像距，是否呈现倒立放大或倒立缩小。

为了便于教师对课程进行评价，教师可以预制评价表，这种形成性的评价方式能够帮助教师对STEM学习效果进行评价。评价细则还可以和学生一起制定，以激发学生学习主动性和兴趣。

七、结语

本活动通过学生实际遇到的真实问题，培养学生工程思维，并综合运用跨学科知识解决问题，提升学生STEM素养。STEM课程的效果取决于教师的知识储备和学科整合、设计能力，同时还需要不断启发学生，使之具备开放的思路、沟通合作能力以及较强的动手能力。