基于STEM教育的学生活动设计
潘越 葛春洋 陈乾
摘要：在STEM教育大力开展的背景之下，设计了利用铜线、电池、磁铁等生活中的资源制作“简易小马达”的实验。该实验引导学生在解决科学与工程问题的过程中提高科学探究能力，并且在“金钥匙”活动中成功开展。最后，结合时代发展和热点问题，进一步改进了“简易小马达”的实验。
关键词：STEM教育；生活化；探究；实验探究
文章编号：1008-0546（2018）11-0079-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.026
一、问题提出
STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育是科学，技术，工程与数学领域的知识在同一个主题下的相互联系与应用，目前已成为发达国家科学教育改革的新追求之一。在STEM教育开展的背景下，我国科学教育的课程内容和课程模式也有了很大的改进，教学内容更加注重实验探究活动，引导学生聚焦不同领域知识之间的联系，倡导学生在工程中发现科学，在实践中体悟科学，在主动学习与自主探索中发展科学核心素养。STEM教育有可能改善科学教育中存在的学生实验不足、实验可操作性不强、探究性不足、STS教育过于零散等缺点。目前，我國基础教育的科学课程与数学学科的融合基础良好，但与科技、工程的结合存在明显不足。因此，如何进一步有效利用生活中的教学资源，合理设计与开发科学实验，帮助学生更好地形成科学素养与工程素养，是一个亟待解决的问题。
伟大的教育家傅鹰说：“实验是化学的最高法庭。”实验帮助学生走近生活与科学，在自主实践中更好地掌握科学的基本概念与原理。对于实验的选择和开发，英国里丁市Kendrick中学的Shallard老师认为，实验应与生活实际密切相关，在生活中寻找实验用品，并且让学生在真实的情境中用科学知识、实验现象与实验数据来解释或解决实际生活中的问题，在实验过程中体会科学知识和科学方法的应用价值。
马达是英文“motor”的英译，又称为电动机或发动机。马达用途广泛，大至重型工业，小至儿童玩具都能找到它的踪迹。本文选用铜线、电池、磁铁等生活用品，设计了简易小马达的实验。开发利用了社会、生活中的教学资源，培养了学生的动手实践能力与合作思考能力，帮助学生们进一步了解工业生产与科学技术。
二、实验原理
如图1，能够导电的磁铁形成了磁场，在一个截面上形成了如图中细线磁感线所示的磁场分布，每一点的切线代表了该点的磁感线强度方向。铜线上端与电池正极相接触，形成了粗线所示的电流。电流从正极流出，通过铜线左右两侧分别流向负极。通电导线在磁场中受到安培力的影响，可运用左手定则判断：在图示磁场方向下，铜线左侧安培力垂直纸面指向纸里，铜线右侧安培力垂直纸面指向之外。因此，铜线左右两侧受力方向相反，铜丝发生旋转。铜线旋转的方向是根据磁场的方向确定的，若将磁铁的N极与S极对调，铜线旋转方向将发生改变。
三、实验设计及改进
1.仪器和药品
铜丝、砂纸、5号电池、能够导电的磁铁（钕铁硼等）、钳子。
2.实验步骤
（1）用钳子剪断铜丝后，用砂纸打磨铜丝使之光洁。将线圈围着电池绕出一个环与负极接触，接着再调整一下圆环大小。
（2）将两端的铜线向上弯曲，在铜线略高于电池正极帽的地方再往下撇，使铜线两端交于一点与正极接触。最后，调整形状，使正极与铜线末端接触良好。
（3）用手轻轻拨动放置好的线圈，使线圈转动起来。
3.实验分析
将上图所示的三个形状分别编号为形状1、2、3，分别计量三个不同形状的铜线旋转的时间，平行测量三次。
将计时控制在两分钟之内，发现三种形状在与电池和磁铁良好接触的情况下，均能稳定地旋转。形状3对空气的阻力最小，旋转速度最快；形状1和形状2虽然对空气有一定的阻力，左右两侧结构平衡，旋转较稳定。
4.学生活动设计
5.活动结果分析
在“金钥匙”比赛中，简单讲解“小马达制作”的实验用品和步骤之后，让学生以6人为一个小组制作出作品，根据铜线在电池上稳定转动的时间赋分。很多同学在讲解过程中就很兴奋，争相说出“通电导线在磁场中受力转动”的实验原理。这说明“小马达”背后的科学知识学生是非常了解的。
接下来，有的学生根据提供的实验步骤画出了实验装置图，有的则在脑海中形成大致的实验装置。这一环节中，学生将科学学习中实验装置的设计应用到了生产生活中，是工程知识在STEM教学中的体现。实验开始时，笔者给每组一根相同长度的铜线，有的小组把这一根长的铜丝用于一个实验中，发现铜丝无法在电池上旋转。实验的初次失败使得他们寻找原因，经过讨论，小组内各成员都认识到铜线过长，造成的阻力过大，所以铜线不旋转。
取了合适长度的铜线弯折成一定的形状，另一个小组发现铜丝仍然不能在电池上旋转。小组成员仔细研究了教师提供在易拉宝上的图片，发现提供的形状1和形状2有相似的特征：形状的上端向下凹，形状的下端都是一个圈。通过仔细观察和思考，他们认为通电的导线上磁感应强度越大，旋转就越稳定。小组成员修正了铜线的形状，使得铜线的下端在磁铁的周围。当铜线稳定地在电池上旋转时，他们都欣喜得为自己鼓起了掌，体验到了成功的喜悦。
在“简易小马达”制作活动中，笔者很高兴地看到不少团队利用“通电导线在磁场中受力转动”的知识点，设计出电池-磁铁-铜线的闭合回路，成功地完成了实践活动内容。“简易小马达”这一实验有效结合了科学与工程，综合培养了学生的素养。
四、实验改进
虽然“简易小马达”这一活动有效发展了学生的科学素养和工程素养，但是从实验设计者的角度来看，这个实验内容比较单调，故通过参考更多资料，又对该实验进行了改进。
1.自制“动力火车”
“轨道赛车”是很多学生童年喜爱的玩具。利用一定长度的铜线、5号电池、2块小磁铁可以设计出相似的装置。首先，将一段较长的铜丝弯折成螺旋状，形成“轨道”。接着，将磁铁分别吸附在正负两极，放入铜线圈。在铜线圈所形成的的磁场中，电池在铜线圈“轨道”内向前移动。利用这些生活化的资源，可以自制“动力小火车”。
实验原理：实验中，电池-磁铁-铜线形成了一个闭合回路，产生的电流通过铜线管，在磁铁形成的磁场中受到了磁力作用。同时，电池两端的磁铁n极相对，分别产生引力和斥力，电磁动力推动小车向前运动。
设计意图：利用生活化的科学实践活动，学生能够更加深刻地了解磁悬浮列车的工作原理。2013年，SpaceX提出超级管道磁火车的想法，利用金属管道和電磁场实现超高速行驶。本实验设计有效结合了科技前沿，能够将理论转移为学生手中的实践，从而培养学生的迁移与应用能力；在制作过程中，电池、磁铁与铜线要形成闭合回路，铜线又不能在电池上直接缠绕，这一过程培养了学生的动手实践能力；同时，在实验过程中，化学能转化为电能，电能又转化为机械能和热能，学生在实践和思考中丰富了能量转化的形式，思考如何能使能量有效地转化而不是以热量的形式散发，对能量转化效率有进一步的思考，为高中进一步学习电化学及丰富能量观奠定基础，提高科学核心素养。
将科学生活化与生活科学化有机结合，提高学生的创新思维能力。学生看到以电磁为动力的小车在轨道中运动，感受到自己就是轨道公路的伟大开发者，自信心和自豪感油然而生。
2.自制小风扇
将一块磁铁吸附在电池负极，电池正极吸附一根带磁铁的铁钉，调整上下两块磁铁磁场方向相同。接着，将风扇固定在下端的磁铁上。最后，将一根铜丝固定在上下两块磁铁上，可以观察到风扇开始转动。
实验原理：实验中，电池-磁铁-铜线形成了一个闭合回路，产生的电流通过铜线管，在磁铁形成的磁场中受到磁力作用。但是，由于铜线被固定，下端的磁铁受到相对作用，带动风扇转动。
设计意图：通过小组动手实验，学生在做中学，动手制作出风扇，有效提高了动手实践能力和团队合作能力。“电磁风扇”实现了能量的转化，化学能转化为电能，电能转化为机械能、热能和风能。在能源紧缺的今天，开发利用新能源已经成为人们关注的焦点。在实验中，学生对能量的利用和转化有了进一步的思考，对新能源的利用与效率有了更多的想法，培养了学生的创新意识。同时，这个实验能激发学生学习的好奇心，拉近学生与生活的距离，体悟“科学源于生活，并且服务于生活”的事实。
五、总结
基于STEM教育的理念，利用电池、铜线和磁铁等生活中常见的资源，设计了“简易小马达”、“动力火车”、“自制小风扇”的探究实验，让学生在动手实践中提高迁移与应用能力，发展创新意识与科学思维，全面提高综合素养。
参考文献
[1] 宋怡，马宏佳.STEM教育愿景中的课程、教学与评价——基于美国《STEM2026：STEM教育创新愿景》报告[J].现代教育科学，2017（11）：126-131
[2] 滕旻彦.教师是实验教学的重要资源——英国Kendrick中学化学实验资源开发的特点与启示[J].化学教育，2012，
33（6）：76-79
[3] 康丽军，高茜.磁动力小火车的驱动原理和影响因素分析[J].太原大学教育学院学报，2017，35（3）：40-44
[4] 黄烨.STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径[J].现代教育技术，2018（5）：121-126
摘要：在STEM教育大力开展的背景之下，设计了利用铜线、电池、磁铁等生活中的资源制作“简易小马达”的实验。该实验引导学生在解决科学与工程问题的过程中提高科学探究能力，并且在“金钥匙”活动中成功开展。最后，结合时代发展和热点问题，进一步改进了“简易小马达”的实验。
关键词：STEM教育；生活化；探究；实验探究
文章编号：1008-0546（2018）11-0079-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.026
一、问题提出
STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育是科学，技术，工程与数学领域的知识在同一个主题下的相互联系与应用，目前已成为发达国家科学教育改革的新追求之一。在STEM教育开展的背景下，我国科学教育的课程内容和课程模式也有了很大的改进，教学内容更加注重实验探究活动，引导学生聚焦不同领域知识之间的联系，倡导学生在工程中发现科学，在实践中体悟科学，在主动学习与自主探索中发展科学核心素养。STEM教育有可能改善科学教育中存在的学生实验不足、实验可操作性不强、探究性不足、STS教育过于零散等缺点。目前，我國基础教育的科学课程与数学学科的融合基础良好，但与科技、工程的结合存在明显不足。因此，如何进一步有效利用生活中的教学资源，合理设计与开发科学实验，帮助学生更好地形成科学素养与工程素养，是一个亟待解决的问题。
伟大的教育家傅鹰说：“实验是化学的最高法庭。”实验帮助学生走近生活与科学，在自主实践中更好地掌握科学的基本概念与原理。对于实验的选择和开发，英国里丁市Kendrick中学的Shallard老师认为，实验应与生活实际密切相关，在生活中寻找实验用品，并且让学生在真实的情境中用科学知识、实验现象与实验数据来解释或解决实际生活中的问题，在实验过程中体会科学知识和科学方法的应用价值。
马达是英文“motor”的英译，又称为电动机或发动机。马达用途广泛，大至重型工业，小至儿童玩具都能找到它的踪迹。本文选用铜线、电池、磁铁等生活用品，设计了简易小马达的实验。开发利用了社会、生活中的教学资源，培养了学生的动手实践能力与合作思考能力，帮助学生们进一步了解工业生产与科学技术。
二、实验原理
如图1，能够导电的磁铁形成了磁场，在一个截面上形成了如图中细线磁感线所示的磁场分布，每一点的切线代表了该点的磁感线强度方向。铜线上端与电池正极相接触，形成了粗线所示的电流。电流从正极流出，通过铜线左右两侧分别流向负极。通电导线在磁场中受到安培力的影响，可运用左手定则判断：在图示磁场方向下，铜线左侧安培力垂直纸面指向纸里，铜线右侧安培力垂直纸面指向之外。因此，铜线左右两侧受力方向相反，铜丝发生旋转。铜线旋转的方向是根据磁场的方向确定的，若将磁铁的N极与S极对调，铜线旋转方向将发生改变。
三、实验设计及改进
1.仪器和药品
铜丝、砂纸、5号电池、能够导电的磁铁（钕铁硼等）、钳子。
2.实验步骤
（1）用钳子剪断铜丝后，用砂纸打磨铜丝使之光洁。将线圈围着电池绕出一个环与负极接触，接着再调整一下圆环大小。
（2）将两端的铜线向上弯曲，在铜线略高于电池正极帽的地方再往下撇，使铜线两端交于一点与正极接触。最后，调整形状，使正极与铜线末端接触良好。
（3）用手轻轻拨动放置好的线圈，使线圈转动起来。
3.实验分析
将上图所示的三个形状分别编号为形状1、2、3，分别计量三个不同形状的铜线旋转的时间，平行测量三次。
将计时控制在两分钟之内，发现三种形状在与电池和磁铁良好接触的情况下，均能稳定地旋转。形状3对空气的阻力最小，旋转速度最快；形状1和形状2虽然对空气有一定的阻力，左右两侧结构平衡，旋转较稳定。
4.学生活动设计
5.活动结果分析
在“金钥匙”比赛中，简单讲解“小马达制作”的实验用品和步骤之后，让学生以6人为一个小组制作出作品，根据铜线在电池上稳定转动的时间赋分。很多同学在讲解过程中就很兴奋，争相说出“通电导线在磁场中受力转动”的实验原理。这说明“小马达”背后的科学知识学生是非常了解的。
接下来，有的学生根据提供的实验步骤画出了实验装置图，有的则在脑海中形成大致的实验装置。这一环节中，学生将科学学习中实验装置的设计应用到了生产生活中，是工程知识在STEM教学中的体现。实验开始时，笔者给每组一根相同长度的铜线，有的小组把这一根长的铜丝用于一个实验中，发现铜丝无法在电池上旋转。实验的初次失败使得他们寻找原因，经过讨论，小组内各成员都认识到铜线过长，造成的阻力过大，所以铜线不旋转。
取了合适长度的铜线弯折成一定的形状，另一个小组发现铜丝仍然不能在电池上旋转。小组成员仔细研究了教师提供在易拉宝上的图片，发现提供的形状1和形状2有相似的特征：形状的上端向下凹，形状的下端都是一个圈。通过仔细观察和思考，他们认为通电的导线上磁感应强度越大，旋转就越稳定。小组成员修正了铜线的形状，使得铜线的下端在磁铁的周围。当铜线稳定地在电池上旋转时，他们都欣喜得为自己鼓起了掌，体验到了成功的喜悦。
在“简易小马达”制作活动中，笔者很高兴地看到不少团队利用“通电导线在磁场中受力转动”的知识点，设计出电池-磁铁-铜线的闭合回路，成功地完成了实践活动内容。“简易小马达”这一实验有效结合了科学与工程，综合培养了学生的素养。
四、实验改进
虽然“简易小马达”这一活动有效发展了学生的科学素养和工程素养，但是从实验设计者的角度来看，这个实验内容比较单调，故通过参考更多资料，又对该实验进行了改进。
1.自制“动力火车”
“轨道赛车”是很多学生童年喜爱的玩具。利用一定长度的铜线、5号电池、2块小磁铁可以设计出相似的装置。首先，将一段较长的铜丝弯折成螺旋状，形成“轨道”。接着，将磁铁分别吸附在正负两极，放入铜线圈。在铜线圈所形成的的磁场中，电池在铜线圈“轨道”内向前移动。利用这些生活化的资源，可以自制“动力小火车”。
实验原理：实验中，电池-磁铁-铜线形成了一个闭合回路，产生的电流通过铜线管，在磁铁形成的磁场中受到了磁力作用。同时，电池两端的磁铁n极相对，分别产生引力和斥力，电磁动力推动小车向前运动。
设计意图：利用生活化的科学实践活动，学生能够更加深刻地了解磁悬浮列车的工作原理。2013年，SpaceX提出超级管道磁火车的想法，利用金属管道和電磁场实现超高速行驶。本实验设计有效结合了科技前沿，能够将理论转移为学生手中的实践，从而培养学生的迁移与应用能力；在制作过程中，电池、磁铁与铜线要形成闭合回路，铜线又不能在电池上直接缠绕，这一过程培养了学生的动手实践能力；同时，在实验过程中，化学能转化为电能，电能又转化为机械能和热能，学生在实践和思考中丰富了能量转化的形式，思考如何能使能量有效地转化而不是以热量的形式散发，对能量转化效率有进一步的思考，为高中进一步学习电化学及丰富能量观奠定基础，提高科学核心素养。
将科学生活化与生活科学化有机结合，提高学生的创新思维能力。学生看到以电磁为动力的小车在轨道中运动，感受到自己就是轨道公路的伟大开发者，自信心和自豪感油然而生。
2.自制小风扇
将一块磁铁吸附在电池负极，电池正极吸附一根带磁铁的铁钉，调整上下两块磁铁磁场方向相同。接着，将风扇固定在下端的磁铁上。最后，将一根铜丝固定在上下两块磁铁上，可以观察到风扇开始转动。
实验原理：实验中，电池-磁铁-铜线形成了一个闭合回路，产生的电流通过铜线管，在磁铁形成的磁场中受到磁力作用。但是，由于铜线被固定，下端的磁铁受到相对作用，带动风扇转动。
设计意图：通过小组动手实验，学生在做中学，动手制作出风扇，有效提高了动手实践能力和团队合作能力。“电磁风扇”实现了能量的转化，化学能转化为电能，电能转化为机械能、热能和风能。在能源紧缺的今天，开发利用新能源已经成为人们关注的焦点。在实验中，学生对能量的利用和转化有了进一步的思考，对新能源的利用与效率有了更多的想法，培养了学生的创新意识。同时，这个实验能激发学生学习的好奇心，拉近学生与生活的距离，体悟“科学源于生活，并且服务于生活”的事实。
五、总结
基于STEM教育的理念，利用电池、铜线和磁铁等生活中常见的资源，设计了“简易小马达”、“动力火车”、“自制小风扇”的探究实验，让学生在动手实践中提高迁移与应用能力，发展创新意识与科学思维，全面提高综合素养。
参考文献
[1] 宋怡，马宏佳.STEM教育愿景中的课程、教学与评价——基于美国《STEM2026：STEM教育创新愿景》报告[J].现代教育科学，2017（11）：126-131
[2] 滕旻彦.教师是实验教学的重要资源——英国Kendrick中学化学实验资源开发的特点与启示[J].化学教育，2012，
33（6）：76-79
[3] 康丽军，高茜.磁动力小火车的驱动原理和影响因素分析[J].太原大学教育学院学报，2017，35（3）：40-44
[4] 黄烨.STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径[J].现代教育技术，2018（5）：121-126
