开展科技小课题研究激发学生学习动力

赵小娟

摘 要：环保和科学研究意识的培养是教育的重要目标，本文通过引导学生从生活中发现问题，并建立科技小课题研究解决问题，尝试开展了将物理学上的热声效应运用到废热资源利用，通过手机微型扬声器的动圈感生出电流发电的课题研究。项目结合了废热和废旧手机扬声器，实现废物和废能的有效利用，提高了学生对环保的关注度，激发了学习热情，培养了研究的基本方法，提高了动手能力，对教育目标的达到起到了巨大的强化作用。

关键词：科技小课题;废热;发电;学习动力;中图分类号

一、课题来源

本项目热致声驱动装置就是采用手机扬声器作为功能转换器，用热产生声波来驱动与微制造技术结合的热声元件（手机扬声器）和谐振腔，由声振荡引起工质压力和温度的振荡，驱动手机扬声器音圈运动，从而实现废热发电，项目相对于学生来说具有一定的研究难度，但是项目的主题意义好，既有对物理基本概念的深刻认识，又有对实验室仪器的操作应用，实验材料的准备，还有资料的调研及实验现象的分析，锻炼比较全面，能够起到非常好的教育引导作用。

二、需求分析

这项活动开展开始时，教师要求学生带着我们为什么做这个课题，即开展课题研究的意义是什么，以这个目标出发和学生一起通过各种方式查资料，让学生了解到，随着微电子技术的进步，在单位面积上可集成的芯片和电路越来越多，单位面积的散热功率也在不断增大。由此带来的过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率。如果使用微型热回收装置作为微电子芯片和电路系统的热量管理手段，将会大大提高设备的性能。老师指导学生对国外相关网站和外文文献利用翻译软件等手段解读，对这些资料大家一起讨论，从而激发了学生浓厚的兴趣，确定以解决小问题出发，以锻炼基本能力为目的，提出项目课题，大家一致认为这个小课题也许有大的用途，从而敢于面对课题的挑战。

三、制定研究步骤

为了更好的完成实验工作，根据大家调研的情况，老师和学生们讨论认为，废热驱动扬声器发电装置，具有热声元件的微型化特点，作为原理性工作，为简单易行，在设计、制作和测试方面尽量采用现成材料和工艺，首先实现原理性突破，并提出以下问题是在废热驱动扬声器发电装置研究中需要解决的关键问题：

（1）声驱动器的微型化设计模型。声驱动器要求能提供高频的、具有一定声功率的输出，同时是微型的;

（2）热声元件的微型化设计模型;

（3）试验系统的微型化，进行试验研究测试，需要小电量电源数据测试仪器。

这些知识相对于学生来说较为专业，但我们的目标主要是让学生动手、动脑和尝试，并学会梳理问题，可以从以上的问题中提出一些可以选择的方法和材料，并动手应用于实验装置中。

根据对关键问题的梳理，老师引导学生讨论并整理出课题的研究内容：

（1）手机扬声器的特性选择研究，确定扬声器的结构和特性及声驱动器振子的特点并进行选择验证;

（2）由老師采用成熟的教学商业计算软件，建立热声驱动发电机的模拟模型，确定声驱动系统与热声谐振系统的阻抗匹配方案;

（3）进行热致声驱动发电装置的试验研究。

四、开展研究工作

老师指导学生收集废旧手机，教会学生针对不同的手机封装结构，先观察，然后大家配合开展“拆机”作业，让学生看到小小的手机中各种巧妙的设计，学会灵活使用不同的实验室工具，针对卡扣，螺丝，锡焊和胶粘等不同的紧固方式，在不破坏结构的情况下完整地取下需要的微型扬声器，仅仅这一初步的工作，就让学生其乐无穷，从刚开始的手足无措，乱拉乱扯，“野蛮”破坏，到稳扎稳打，先观察定步骤到细致解剖，学生说自己像一个外科医生，观察动手能力和耐心得到极大提高，看到自己拆下的干净利落的扬声器组件，一个个自豪满满，并开展了电声的基本演示和测试，看到能够通过调整频率改变声音，大家对声学部分的知识有了根部的认识，其它如电阻、电压等特性测试也是让学生们兴趣盎然。

第二步是准备热声管，学生提出用实验室试管和细铜丝作为基本材料，因为在一些文献上看到这样的应用，老师也鼓励大家动手，于是按照计算好的材料用量、放置位置等基本参数动手准备，很快管子也做好了。

根据预先画好的接线图，学生们将扬声器膜片与热声管开口连接，为便于更换热声管蓄热材料，有学生提出用胶塞密封，大家都一致认可，激动人心的一刻来临了，为了安全，老师将做好的小装置一端放在酒精灯上加热，却始终没有听到扬声器的发音，说明没有产生声振动或者波动太小，同学们有些失望，老师鼓励大家不要灰心，研究工作往往就是这样，任何事情不会一帆风顺，激发大家分析想办法，有个同学提出接一个精密的仪表测试，后来在家长的帮助下，又不断改变蓄热材料种类、重量及位置等条件，用借来的仪表对扬声器两端的电压进行检测，终于可以观察到极小的电压波动，说明我们的装置在原理上是行得通的，只是在各个方面都未做到精细化，损失太大，无法观察到明显的现象。虽然没有达到项目要求，但大家仍然非常高兴，因为在这整个过程中，大家手脑并用，观察记录，配合讨论，特别像一个科研团队，大家对知识的渴望，对自己能力的提高充满了期待，并意识到每门课的知识都很重要，这些学生在后来的课堂学习中，学习的热情、主动性和对课外知识的获取能力都得到极大提高，失之桑漓得知桑榆，课题研究达到了我们的目的。

五、结论

（1）通过本项目研究，学生将从主要的较为单一的被动接受知识，需要告诉的被教育者，通过解决实际问题的实践活动中，由兴趣到需求，由需求到已有知识扩展应用，再到对新知识和信息的探索，从而激发强烈的学习本能，并逐渐形成一种良好的迭代作用，成为学习的主人。

（2）内生的学习动力增强加上老师的课堂教学引导，提高了课堂教学和课后学习的效率。科技小课题的综合性知识要求，让学生体会各学科知识在解决实际问题过程中不同的作用，体会目标一致、分工合作、团结克坚的重要性。通过综合性的研学活动，让学生作为主角，老师作为助力和引导者，老师在过程中点燃、发动和激发学生的潜能和动力，调动学生的积极性和主动性，学生乐在其中，对于利用已知探索未知过程的深刻体会，由表面到深刻，由简单到复杂的过程，体会到一个真正的学习过程，也体现了“生本”教育理念的巨大价值。

参考文献

[1]郭思乐著，《教育走向生本》，人民教育出版社，2001年6月版;

[2]张晓青，霍英杰，《高频微型热声制冷机的特性研究》，工程热物理学术年会会议论文集。

本文系2018年度兰州市“十三五”教育科学规划课题《废弃手机扬声器用于废热回收发电装置的研究》研究成果，课题立项号LZ〔2018〕GH639