基于STEM理念的水果电池制作

施念 戴波妮 竺丽英

摘要：基于STEM理念，利用简单易得的柠檬、西瓜、矿泉水瓶等材料，通过对电流、电压等影响因素的探究活动，设计了一套新颖有趣、环保美观的熊猫水果电池定时装置，有助于强化学生对原电池的形成条件、电能与其他能量之间的转化等科学知识的理解，促进科学、技术、数学、工程、艺术等学科领域之间的融合，提升创新设计思维。

关键词：STEM教育;水果電池;实验改进

文章编号：1008-0546（2022）04x-0086-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.024

STEM教育是综合运用科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）、数学（Mathematics）等学科领域的相关知识，顺利解决真实性任务的一种新

型教育范式[1]，有助于培养学生的探究能力、创新意识、批判性思维、信息技术能力等未来社会必备的技能，已成为世界各国教育领域发展的重要战略[2，3]。我国基础教育课程改革也极为重视STEM教育的实践，探索STEM教育应用模式，积极开展STEM课程整合、学科融合以及创客教育的相关研究[4]。基于学科特色，开发设计多学科融合的STEM实验项目，促进不同学科知识的整合与创新，是提升学生核心素养、培养跨学科学习能力的重要途径[5]。

水果电池贴近学生的现实生活，结构简单，操作简便，趣味性强，融合了氧化还原、原电池的形成条件、能量转化、电路连接等多种科学知识与原理，不仅有利于激发学生的学习兴趣，加深其对电化学相关内容的理解，还能有效促进学科内部，以及科学与社会生活、数学、技术等学科之间的联系，有助于发展学生的科学素养[6]，是国内中小学科学教材中常见的素材[7，8]。

研究利用身边的材料，基于电化学的相关原理，制作了名为熊猫钟的一套水果电池STEM作品，现将设计原理、用品材料、过程方法及实验效果介绍如下。

一、设计原理

一寸光阴一寸金，珍惜时间是人们一直提倡的理念，基于此，研究设计了熊猫钟水果电池定时装置。装置分为3个部分：水果电池、熊猫计时器外壳和定时漏斗，如图1。该装置以水果电池作为电源，发声器作为发声装置，定时漏斗向刻度容器中加入白醋，当1分钟时，容器中的液面上升到既定高度，导线A、B与白醋接触，等效于开关闭合，整个装置形成闭合回路，闹铃响起，达到定时提醒的效果，具体成品如图2。

二、装置的材料、用品

1.水果电池材料、用品

镁条4片、铜片4片、柠檬1个、白醋1袋、小瓶盖4个、长方体透明容器1个、滤纸4张、橡皮筋4根、导线、万用表。

2.熊猫计时器及电池的外壳材料、用品半个西瓜皮、发声器1个（额定电压1.5V～4V，额定电流2mA）、黑色卡纸1张、泡沫板1个、白色水粉颜料、剪刀、固体胶。

3.定时漏斗材料、用品

矿泉水瓶1个、记号笔1支、剪刀、双面胶。三、装置搭建1.水果电池的条件探究及搭建水果电池是整个作品的核心部位，文献发现，要使发声片等电子元件正常工作，需要同时达到额定电压和额定电流，并且电解质溶液、电极种类、电池连接方式、电极接触面积等因素对水果电池的电动势都有一定的影响[9-11]。采取单因素研究实验法，对电极种类、电解质溶液和电池连接方式这3个变量进行实验探究，以确定水果电池的最佳条件。

（1）电极的选择

根据非标准电极电势的计算公式E=φ正-φ负，正负两极的电极电势差越大，电动势就越大，结合已有文献，选取活泼性相差较大的4对电极作为探究对象，分别是：Zn-C、Zn-Cu、Mg-C、Mg-Cu。

考虑到电极间距越小，电动势越大，因此用滤纸隔开两电极，使得两电极间距尽量小，并且不会因两电极过度贴近而造成短路。将滤纸片剪成长方形，使其略大于铜片与镁条，依次叠放镁条、滤纸、铜片，用橡皮筋捆绑固定，制成1个Mg-Cu电极，将其插入柠檬汁，深度为3cm（室温下）。用万用表在室温下分别测量电压与电流，重复3次，取平均值。同理，测得Zn-C、Zn-Cu、Mg-C电极工作时的电压、电流数据，如表1所示。

由表1可知，不同电极组成的水果电池电压电流不同，其中Mg-C电极产生的电压最高，为1.715V，Mg-Cu电极产生的电流最大，为10.4mA。由于碳棒呈圆柱体，Mg条呈长方形，制作电极对时，滤纸很难贴合，操作不易，因此，研究选择Mg-Cu电极。

（2）电解质溶液的选择

中的氢离子属于方程中的氧化态，因此水果的酸度越大，电池的电动势越大。也有研究指出水果电池的电压和电流不仅和水果自身的pH有关，还与其自身的细胞结构（细胞壁、细胞膜、细胞核、胞间连丝等）、所含内容物（果酸、糖分等）以及能量分子（ATP）利用有关。由相关文献可得，柠檬汁的pH较小，香蕉对于能量分子（ATP）利用率较高，香蕉泥损坏的细胞结构不会抑制水果电池的电压和电流[12-14]。因此，选取柠檬汁、香蕉、香蕉泥作为研究对象，探究水果种类及状态对电池的电压电流的影响。

如前操作制作3个相同的Mg-Cu电极，将其分别插入柠檬汁、香蕉、香蕉泥中，深度均为3cm，测量电池的电压和电流，结果如表2。

由表2可知，相同条件下，柠檬汁为电解质的电池产生的电压电流均最大，分别为1.487V、10.4mA;而泥状的香蕉比完好的香蕉在电压电流值上都更大一些。在影响水果电池电压、电流的因素中，水果的pH对电压、电流的影响较大，故选择柠檬汁为电解质溶液。

（3）连接方式的选定

根据电路连接的原理，并联有利于增大电流，串联有利于增大电压，采用既并联又串联的方式，电压、电流都能有所增强。因此，分别采用串联、并联、串并联结合三种方式探究最佳的连接方式，电极为Mg-Cu，电解质溶液是柠檬汁，插入深度3cm，改变电池电路连接方式，测得结果见表3。

由表3可知，将2个水果电池串联，总电压（2.956V）约为1个水果电池电压的2.0倍，总电流（13.4mA）约为1个水果电池电流的1.3倍;将2个水果电池并联，总电压（1.549V）约为1个水果电池电压的1.0倍，总电流（18.0mA）约为1个水果电池电流的1.7倍;而3个水果电池串联再并联的连接方式总电压（4.683V）约为1个水果电池电压的3.1倍，总电流（19.1mA）约为1个水果电池电流的1.8倍。可见，串联对电压的增强效果优于并联对电流的增强效果。根据发声器的要求（额定电压1.5V～4V，额定电流2mA），同时考虑到制作中并联导线连接的复杂性，最终确定电路连接方式为4个水果电池串联。

（4）水果电池的搭建

经过实验探究，确定水果电池的电极材料为Mg和Cu，柠檬汁为电解质溶液，同时采用4个电池串联的形式，搭建步骤如下：首先，按上述方法制作4个Mg-Cu电极，分别放置在4个小瓶盖中，用导线串联电极，由于柠檬汁与电极反应比较剧烈、迅速，因此在作品运行时才向瓶盖中加入柠檬汁。接着，铜片连接发声器的正极，发声器负极端连接导线A，导线A的另一端固定在刻度容器的底部，镁片连接导线B的一端，另一端放入刻度容器中，高度待定，如图3。

2.计时器及电池外壳的制作

完成核心部位后，为了使装置更加美观、具有艺术性，设计了熊猫钟外壳。将半个西瓜皮用水粉颜料涂白，在顶部镂出一个小洞，用于承接漏斗口，在西瓜上方对称两处切一个小口，用于安装熊猫耳朵，在熊猫的左耳处固定发声器，并用黑色卡纸制作熊猫的五官，最后将水果电池装置放在泡沫板上，盖上熊猫钟外壳。

3.定时漏斗的制作

装置美化完成后，为水果电池装置增加1分钟的定时功能。用一个长方体透明容器作为刻度容器，将矿泉水瓶对半切开，头部呈漏斗状作为定时漏斗，在瓶盖中心镂出一个小洞，拧紧瓶盖，往定时漏斗中灌入白醋，使白醋滴入刻度容器中，标记1分钟时容器中液面的高度位置为“1”，并将导线B另一端安置在“1”的高度位置，即当液面到达此高度时，导线A、白醋、导线B三者连接形成通路。

四、操作及评价

柠檬去皮、榨汁，倒入放置电极的4个瓶盖中，使滤纸完全浸透湿润。如图2搭建装置，将漏斗倒扣在熊猫顶端（注意漏斗口下方正对刻度容器的中心），向漏斗中倒入适量白醋，当白醋滴入刻度容器时，开始计时。刻度容器中液面到达导线固定高度时，形成通路，发声器音乐响起，此刻时间为1分钟。实验结束后，及时解开电极片，清洗瓶盖、刻度容器和电极片，擦干，可存放至下次计时使用。

本装置从珍惜时间的角度切入，探究了不同电极、水果种类及状态、连接方式等因素对水果电池电压、电流的影响，并基于实验数据，选择相应功率的电能装置，设计了熊猫计时器，充分体现了STEM教育的理念。作品将电能转换为声能，利用溶液上升到一定高度自动形成闭合回路，触发定时功能，设计精巧绝妙，富有创意;以西瓜皮、矿泉水瓶、瓶盖、泡沫板等为原材料，选材新颖独特，绿色环保;采用“熊猫”的形象包装作品的外观，造型美观，又极具中国特色，体现了艺术与工程、技术的融合之美。但需要注意的是，由于柠檬汁酸性较强，Mg-Cu电极活泼性差距大，化学反应剧烈，镁片消耗较快，因此，反应时间不宜过长，实验结束后应立即清洗电极片。

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