基于STEM理念的高中物理电表改装的实验设计
曾庆河 卢亚军 张轶炳 丁龙
摘? ?要：文章将STEM教育理念融入微安表改装成多量程的电流表和电压表实验中，并对该实验各个环节进行理论分析。旨在激发学生学习物理的兴趣，提高学生将科学知识应用于工程实践的能力，培养学生的STEM素养。
关键词：STEM理念;实验;电表的改装;物理教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A? ? ?文章编号：1003-6148（2020）11-0051-4
1? ? 引? 言
STEM教育理念强调将科学S（Science）、技术T（Technology）、工程E（Engineering）和数学M（Mathematics）四个学科相融合，打破学科之间的壁垒，将知识间的联系作为教学内容组织的原则与依据，基于真实世界中的问题情境开展教学[1]。物理学作为自然科学的一门重要的分支，肩负着综合培养学生STEM素养的使命，许多教师都已经做了有益的尝试，具有一定的借鉴意义。例如，提倡开展基于真实问题情境，以工程设计为导向，数学作为辅助工具，应用学生正在学习的科学知识解决实际问题的STEM课程[2]。
物理实验涉及到实验原理、实验设计、实验操作、数据分析、形成结论、评估交流等环节，这些环节在某种程度上都包含了STEM要素，如果将这些实验环节进行精心设计，可以让学生在实验中经历解释科学原理（S）、应用各类技术（T）、设计工程方案（E）及构建数学模型（M）过程，从而达到综合提升学生STEM素养的目的。本文以“电表的改装”这节实验课为例，探讨物理实验教学中渗透STEM理念的教学模式。
2? ? STEM理念的内涵及教学理念
STEM理念是指科學、技术、工程、数学，但每个概念都有其丰富的内涵，这里仅简要解读。
2.1? ? STEM的内涵及物理学中包含的STEM要素
2.1.1? ? 科学（S）
（1）科学概念：科学是关于探索自然规律的学问，是人类探索、研究、感悟宇宙万物变化规律的知识体系的总称，是建立在可检验的解释和对客观事物的形式、组织等进行预测的有序的知识的系统。
（2）物理科学：物理学是科学的一个分支，是研究自然界物质的基本结构、物质之间的相互作用及其运动规律的一门学科，是基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系[3]。
2.1.2? ? 技术（T）
（1）技术概念：技术是指解决具体问题的方法及方法原理，制造产品的系统知识，过程中采用的工艺或提供的服务[4]。
（2）物理实验中的技术：做物理实验的过程也是使用技术产品解决问题的过程，必须具备使用产品的知识和操作技术。
2.1.3? ? 工程（E）
（1）工程概念：工程是运用科学知识和技术手段，将某种设想通过研究、设计、开发、生产、测试等一系列步骤转化成具有预期使用价值的目标产品的过程。
（2）物理实验中的工程：工程与技术的主要区别是工程是一个项目化的过程，而技术可以是工程中的一些具体应用。但通常人们也会混合使用这两个概念[5]。
2.1.4? ? 数学（M）
（1）数学及数学模型：数学是利用符号语言研究数量、结构、变化以及空间等概念的一门学科;数学模型是针对参照某种事物系统的特征或数量依存关系，采用数学语言概括地或近似地表述出的一种数学结构。数学的具体概念范畴包括算术、代数、函数、几何、统计和概率，被广泛运用于科学、工程和技术领域。
（2）物理学中的数学：物理中的数学主要是实验中的实验数据处理及数学模型的构建。物理中的各种公式及函数图都可以认为是物理中的数学模型;实验数据处理及误差分析属于数学技能，由实验数据构建出的各种函数模型、推理出的物理公式可以说属于数学建模。
2.2? ? STEM教育理念
STEM教育理念通过一个项目展开学习，以学生为主体，以四个要素相互融合为主线，在教师的整体把握和指导下，强调学生主动参与，提高学生综合利用科学、技术、工程和数学四方面知识与技能，培养学生有效解决问题的能力。
3? ? 物理探究实验中的STEM应用
3.1? ? 探究实验各个环节中的STEM渗透
STEM应用模式多种多样，本文中结合我国课标和NGSS科学探究的八个环节设计探究实验，八个环节要求如下：①提出问题并定义问题;②建立与专题相关的物理模型;③写出专题的设计原理和工作机制;④分析数据，解释数据;⑤运用数学和计算思维，构建数学模型;⑥应用物理原理解释现象，设计新方案;⑦根据证据进行讨论;⑧获取、评估和交流信息[6]。以高中物理“电表的改装”的教学为例，在过程中渗透STEM各要素（教学流程如图 1所示），探讨其在物理实验环节中的应用。
上述流程图体现了科学探究八个步骤与STEM四个要素的渗透关系。科学要素在八个环节都有不同程度的体现，工程、技术、数学要素分别体现在各个环节。在“电表的改装”实验中进行四个要素的整合非常明显，该实验要求学生掌握科学原理，熟练地进行数学计算，学会设计电路图，选择适当的实验器材，最终经过工程实践完成改装过程。
3.2? ? 电表改装探究实验中的STEM
3.2.1? ? 提出问题并定义问题（S）
学生已经学习了串并联电路的原理，知道串联电阻分压，并联电阻分流。也使用过实验室的电压表和电流表，知道每个电压表和电流表都是有量程的。
让学生认识到：当实验室的电流表和电压表量程太小无法满足测量要求时怎么处理？产生认知需要，再引导学生思考能否通过串联或者并联电阻来对电压表或电流表进行改装扩容。在使学生产生对电表进行改装的想法后，引导学生思考并解决以下问题：①电表的工作原理是什么？②如何根据要求选择仪器，设计电路？③如何进行实验与校准？问题的提出和定义是解决问题的第一步，紧接着是引导学生科学地理解问题，找到解决问题的方向，在这个过程中渗透科学要素。
3.2.2? ? 弄清楚电表的工作机制和改装原理（S、M）
常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表（表头） 改装而成的。表头的工作原理涉及磁场对通电导线的作用。从电路的角度看，表头就是一个电阻，表头的电流可以从刻度盘上读出来。改装的原理是基于串联分压、并联分流的特点。理解原理是学习的基础，在科学、逻辑清晰地阐述原理的过程中体现了STEM教育理念中科学要素在实际教学中的应用。
（1）电路设计
图 2是改装大量程电压表的电路图，表头 和一个分压电阻串联组成一个整体，它相当于一个改装的电压表，电压表 作为校准的电压表并联在电路中与改装后的电压表作对比。图 3是改装大量程电流表的电路图。表头 和一个分流电阻并联成一个整体，作用相当于一个改装的电流表，电流表 作为校准的电流表串联在电路中与改装后的电流表作对比。引导学生对两个电路图进行分析，不难掌握电表的改装原理。
（2）电阻的推导
物理学的数据处理离不开数学的计算，在电表的改装中，运用数学公式计算电路所需电阻的阻值尤为重要。在电压表的改装中（图 2），分压电阻R的计算公式为：
R=（ -1）Rg（1）
而在电流表的改装中（图 3），分流电阻R的计算方式为：
R= = （2）
计算所需电阻是选择器材的前提，在原理的讲解和公式的推导中渗透科学、数学要素。
3.2.3? ? 设计电表改装实验的电路图（S、T、E）
（1）设计前分析
在进行电压表或电流表的改装实验前，引导学生发现单次连接电路仅能满足一次实验要求，造成实验过程麻烦，电路连接复杂，改变测量对象时转换不便。考虑到学生电源、变阻箱和滑动变阻器等器件较大，导线连接复杂，最终用途仅实现一个量程的电压表改装等问题，教师引导学生对比两个电路图，思考能否通过简化电路设计出新的实验电路图。将两个电路图进行对比，经过工程设计，实验电路图如图 4所示。
（2）设计电路图
图 4中矩形框a和b表示根据实验改装的需要在框位置处放置所需实验仪器。如在进行电压表的改装中，将所需串联电阻放在框b中，断开开关S1，将校准的电压表（图5A）放置在框a中，闭合开关S2，实现电压表的改装。同理，在進行电流表的改装实验中，将所需并联电阻放在框a中，闭合开关S1，将校准的电流表（图5B）放置在框b中，断开开关S2，实现电流表的改装。在这个电路设计中，学生只需通过控制a、b框中实验器材的选择和摆放，就可将改装电流表和电压表用一个电路图实现。线路连接简单、思路清晰、操作方便是它的优点。
学会整合电路，将电压表和电流表电路整合成一个电路图是理解和使用万用电表的基础。万用电表是一种可用来测量直流电流、直流电压、交变电流、交变电压以及电阻等的多功能仪表。其原理就是对测量电路的整合，实现不同量程的测量。学会电表的改装，最终目的是为了让学生学会万用电表的制作原理和使用方法。
3.2.4? ? 计算实验数据、选择器材（S、T、E、M）
（1）实验数据的计算
在本次实验中，需对量程为1 mA的微安表进行改装，表头内阻Rg为144.6 Ω。如需将此微安表改装成量程为0～3 V的电压表，根据公式（1）代入数据引导学生计算出所需串联的电阻R1阻值为2855.4 Ω（图 5C）。同理，将量程为1 mA的微安表改装成量程为0～0.6 A的电流表，根据公式（2）代入数据计算需并联的电阻R2阻值为0.24 Ω（图 5D）。引导学生了解电表的相关参数和改装量程，计算串并联电阻的阻值，在过程中体会数学的应用。
（2）实验器材的选择
计算得出实验所需电阻后，给学生提供器材，引导学生根据需要进行电阻组合。相对于滑动变阻器体型大、精确度低，教师提供的水泥电阻，其优点是体积小、可选量程多、连接方便。教师指导学生学会分析器材的优缺点，根据需要选择合适的器材，培养学生的技术能力和工程实践能力。
3.2.5? ? 连接电路，进行实验（S、T、E、M）
指导学生经过工程设计和实践制造实验电路板，进行实验操作。让学生在进行实验的同时，锻炼学生动手操作的能力和做实验的工程技术水平。实验电路板如图 6所示。
如图 7所示，电源E的电压为1.5 V，R是可变电位器，阻值为0～2000 Ω，其功能为保护表头的同时使电压表量程从0开始连续变化到满偏。如将1 mA的磁电式毫安表改装成量程为0～3 V的电压表，将电阻R（图 5C）放于b处，校准的电压表（图 5A）放在a处，再断开开关S1，闭合开关S2，实现电压表的改装。
同理，将1 mA的磁电式毫安表改装成量程为0～0.6 A的电流表，将电阻R（图 5D）放于a处，校准的电流表（图 5B）放在b处，再断开开关S2，闭合开关S1，实现电压表的改装。指导学生进行实验，记录数据，让学生学会处理实验过程中出现的技术问题，掌握规范的实验方法与步骤。
3.2.6? ? 电表校准，改进实验（S、T、E、M）
改装后，学生发现电压表（或电流表）的示数在进行测试的时候可能与实际电压（或电流）不匹配，此时应指导学生进行电表的校准。电表的校准是电表改装中的重要一环，校准的目的是评定该表在扩大量程或改装后是否仍符合原电表的准确等级。校准时绘制表格记录数据，绘制校准曲线，确定电表等级，计算不确定度。数学模型的应用在这个环节尤为重要，同时也需要科学知识的支持和工程技术的实现。
3.2.7? ? 误差分析（S、T、E、M）
误差分析是本实验中一个很重要的环节，实验误差的分析应结合具体实验电路进行分析，教师引导学生进行讨论总结，归纳出主要出现误差的几个方面：小量程电流表的参数不标准或指针摆动不标准;串并联电阻的计算值与实际仪器的阻值不匹配;实验其他仪器老旧造成的不标准等。误差分析能力不止是数学问题，更是科学、技术问题，甚至涉及到工程设计问题，引导学生围绕出现实验误差的原因展开讨论与探究至关重要。
3.2.8? ? 汇报交流（S、T、E、M）
汇报交流是学生将这个实验设计、实验过程、实验结论与同学进行交流的过程，是模拟科学家作学术报告的过程，所以涉及了STEM的所有要素，需要在最短的时间里将本组或者自己的实验思想呈现出来，是对学生学术报告撰写能力的考验，呈现形式可以是PPT展示，也可以进行实物展示。
4? ? 结? 语
STEM理念在科学探究性实验的渗透尤为重要，促进核心素养的实现，培养综合性人才。本案例采用实验探究的方式，激发学生的学习兴趣，充分调动学生学习的自主性。基于STEM理念中的科学、技术、工程、数学四个方面的综合应用展开实验，在实施教学中利用实验仪器在物理课堂中实现STEM理念的滲透。最终的目标是通过渗透STEM理念，让学生根据科学原理设计工程实验方案、电路图，将数学、技术贯穿工程实践当中，实现电表的改装，最终能掌握万用电表的原理甚至制造万用电表。
参考文献：
[1]陈晓慧，徐彬，张哲，Jennifer Jing Zhao.STEM教育研究与实践的理念与路径——访不列颠哥伦比亚大学科学教育专家Samson Nashon教授[J].中国电化教育，2019（4）：1-4，22.
[2]曹阳，张轶炳，苏义梅.STEM视野下中英物理教材对比——以“动量和动量定理”为例[J].物理教师，2019，40（10）：74-78.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1-2.
[4]赵中建.美国STEM教育政策进展[M].上海：上海科技教育出版社，2015：189.
[5]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.
[6]NGSS Lead States. Next Generation Science Standards，Volume 2： Appendixes[M].? Washington，D.C：The National Academies Press，2014：48-50.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
