創(chuàng)新“船”奇 夢(mèng)想啟航*——基于STEAM理念的無(wú)線電波發(fā)射和接收教學(xué)

南亞亞 李廣富 楊斯杰 呂雨雨 高永偉

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

STEAM教育提出將科學(xué)(Science)、技術(shù)(Tech-nology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)及藝術(shù)(Arts)融為一體[1].隨著改革開放步伐不斷加快，中國(guó)科技迅速發(fā)展，在航天航海等領(lǐng)域做出了巨大突破和進(jìn)展，面對(duì)未來(lái)社會(huì)，要在科技領(lǐng)域做出更大的成就，就要從青少年一代開始培養(yǎng).在中小學(xué)教育工作中就應(yīng)當(dāng)關(guān)注科技教育，使他們掌握新的技能、知識(shí)和專長(zhǎng)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)社會(huì)的復(fù)雜挑戰(zhàn).

基于這樣的時(shí)代背景，提出將STEAM教育融入中學(xué)物理教學(xué)中，挖掘物理中所蘊(yùn)含的STEAM元素，培養(yǎng)學(xué)生的STEAM素養(yǎng)，為未來(lái)社會(huì)科技發(fā)展所需要的人才做準(zhǔn)備.

電磁波是物理知識(shí)體系中非常重要的一部分內(nèi)容，在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用無(wú)處不在，手機(jī)通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感遙測(cè)、目標(biāo)定位、家電電器、醫(yī)療設(shè)施、廣播電視及工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用.以制作“無(wú)線遙控船?！弊鳛轫?xiàng)目，滲透電磁波科學(xué)理論，以技術(shù)和數(shù)學(xué)為工具，完成工程實(shí)踐，并體現(xiàn)對(duì)稱美、守恒美和物質(zhì)與場(chǎng)的結(jié)合美.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入思政教育，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷，并樹立遠(yuǎn)大的人生理想.

1 教學(xué)分析

1.1 設(shè)計(jì)理念

美國(guó)教育學(xué)家Sternberg提出“思維三角”智力發(fā)展理論[2]，即分析性思考、創(chuàng)造性思考和實(shí)踐性思考.分析性思考要求發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，比較和對(duì)比思考，并對(duì)概念和信息做出評(píng)價(jià)；創(chuàng)造性思考鼓勵(lì)發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新或者設(shè)計(jì)問(wèn)題，要求拓展思維——超越已有的東西，創(chuàng)造新的東西；實(shí)踐性思考幫助學(xué)生如何將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用在實(shí)際生活中.人類從出生那一刻起，就對(duì)這個(gè)世界充滿好奇，會(huì)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而探索并認(rèn)識(shí)世界.所以在教育過(guò)程中我們要不斷地創(chuàng)設(shè)情境、提供符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的學(xué)習(xí)資源、啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生釋放出潛在的好奇心，產(chǎn)生對(duì)事物的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們主動(dòng)探索的熱情和創(chuàng)造力，如果對(duì)一件事物感興趣，則會(huì)主動(dòng)地去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題并最終解決問(wèn)題，這樣才能體現(xiàn)STEAM 教學(xué)真正的意義，而非單純的模仿搭建模型，或者學(xué)習(xí)難懂的高科技機(jī)器人.在對(duì)新事物的探究創(chuàng)新過(guò)程中，難免會(huì)遇到困難，但我們可以以團(tuán)隊(duì)為導(dǎo)向，在鉆研新事物或創(chuàng)新改進(jìn)的過(guò)程中，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)力量，凝練團(tuán)隊(duì)智慧，善于與同伴交流意見，交換思想，再難的問(wèn)題也會(huì)克服解決，這也展現(xiàn)了中華民族五千年團(tuán)結(jié)精神的優(yōu)良傳統(tǒng)美德.

1.2 教材分析

本節(jié)課選自2019版人教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)第四章第3節(jié)“無(wú)線電波的發(fā)射和接收”，是前兩節(jié)“電磁振蕩”和“電磁場(chǎng)與電磁波”基礎(chǔ)知識(shí)后的深入學(xué)習(xí)，介紹了無(wú)線電波的發(fā)射和接收原理及實(shí)際應(yīng)用[3～6].基于相關(guān)物理科學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一堂以無(wú)線電波發(fā)射和接收為核心的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課，借助所學(xué)知識(shí)，并以提供的材料為前提，以小組為單位，創(chuàng)造屬于自己的科技制作.這個(gè)過(guò)程不是教師建模，學(xué)生按部就班地去模仿，而是在他們現(xiàn)有的知識(shí)基礎(chǔ)上，結(jié)合團(tuán)隊(duì)互助協(xié)作，自己動(dòng)手動(dòng)腦去開發(fā)創(chuàng)新.

1.3 學(xué)情分析

高二的學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了選擇性必修第二冊(cè)第四章“電磁振蕩”和“電磁場(chǎng)與電磁波”相關(guān)物理知識(shí)，而且也學(xué)習(xí)了必修第三冊(cè)第十三章“電磁感應(yīng)及電磁波起步”相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)，還學(xué)習(xí)了力學(xué)和電磁學(xué)其他相關(guān)科學(xué)知識(shí).已經(jīng)具備一定的科學(xué)素養(yǎng)和邏輯推理能力，在解決問(wèn)題時(shí)，只是需要思考如何將所學(xué)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)通過(guò)數(shù)學(xué)推理和技術(shù)開發(fā)運(yùn)用到工程實(shí)踐中，并體現(xiàn)其中蘊(yùn)含的藝術(shù)元素，這就要求他們合作交流，共同動(dòng)手去實(shí)現(xiàn)它.

1.4 教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的STEAM教學(xué)目標(biāo)如表1所示.

表1 STEAM教學(xué)目標(biāo)

物理觀念(科學(xué))：理解力學(xué)、電磁學(xué)知識(shí)；了解電磁波的應(yīng)用及帶來(lái)的影響；知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收原理.

科學(xué)思維(數(shù)學(xué))：能基于科學(xué)知識(shí)建立物理模型，能利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)推理和論證，對(duì)建立的船模提出質(zhì)疑和改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問(wèn)題的能力，及敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的意識(shí).

科學(xué)探究(技術(shù)與工程)：通過(guò)學(xué)習(xí)電磁波理論，設(shè)計(jì)船模制造方案，體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估.培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)腦動(dòng)手、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(藝術(shù))：通過(guò)船模制作認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，滲透科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境理念，踐行“嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻(xiàn)、勇攀高峰”的中國(guó)載人深潛精神，傳承偉大的中國(guó)智慧和工匠精神.并在制造船模過(guò)程中，體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)美、守恒美等藝術(shù)元素.

2 “無(wú)線遙控船?！敝谱鬟^(guò)程

2.1 創(chuàng)設(shè)情境 進(jìn)入新課

進(jìn)行新課教學(xué)前，播放 “奮斗者”號(hào)載人潛海視頻，2020年11月10日在馬里亞納海溝“奮斗者”號(hào)創(chuàng)造了中國(guó)載人深潛的新紀(jì)錄，深度達(dá)到10 909 m.看完這段震撼人心的“奮斗者”號(hào)潛海視頻，我們無(wú)不為中國(guó)的探索精神感慨.“奮斗者”號(hào)研制及海試的成功，標(biāo)志著我國(guó)具有了進(jìn)入世界海洋最深處開展科學(xué)探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國(guó)在海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力.從“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)到今天的“奮斗者”號(hào)，研究者以嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度和自立自強(qiáng)的勇氣，踐行“嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻(xiàn)、勇攀高峰”的中國(guó)載人深潛精神，為科技創(chuàng)新樹立了典范.作為新一代青少年，我們更應(yīng)該弘揚(yáng)科學(xué)精神，敢于質(zhì)疑和創(chuàng)新，勇攀深?？萍几叻?，為加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)而努力奮斗，為人類認(rèn)識(shí)、保護(hù)、開發(fā)海洋不斷做出新的更大貢獻(xiàn).下面，我們以4人為一個(gè)小組，用所學(xué)過(guò)的知識(shí)建立屬于自己的小船，并為它命名，讓它承載著我們的夢(mèng)想，駛向遠(yuǎn)方，駛向美好的未來(lái).

2.2 設(shè)計(jì)方案 制作船模

(1)材料準(zhǔn)備

木板、電動(dòng)機(jī)兩個(gè)、接收器電路板、發(fā)射器電路板、電線、螺絲若干、電池盒、1.5 V電池5節(jié)、螺旋風(fēng)葉、雙面膠、天線兩根、礦泉水瓶等，如圖1所示.

圖1 材料準(zhǔn)備

(2)制作過(guò)程

學(xué)生通過(guò)小組合作，利用所學(xué)知識(shí)自主思考和探索研究，教師可巡視指導(dǎo)學(xué)生完成.具體實(shí)驗(yàn)操作如下：

1)準(zhǔn)備材料，如圖1所示 .

2)用7 mm螺絲把接線板和圓孔墊板安裝在船板上,如圖2(a)所示.

3)將電機(jī)板安裝在電機(jī)上，如圖2(b)所示.

4)將電池盒安裝在另一船艙甲板上，并用粗螺絲把船艙固定好，連接好電路，如圖2(c)～(g)所示.

5)用4 mm粗螺絲把L型天線和接收板的白色導(dǎo)線頭安裝在甲板上，再把螺旋槳安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，如圖2(h)、圖2(i)所示.

6)把雙面膠貼在橫板上，另一面粘在甲板上，如圖2(j)、圖2(k)所示.

7)把橫板的兩端粘在空礦泉水瓶上，這樣船體部分就完成了，如圖2(l)所示.

圖2 船模安裝圖

(3)無(wú)線遙控器制作過(guò)程

1)用7 mm粗紋螺絲把遙控板安裝在板上，如圖3(a)所示.

2)將電池盒和遙控器導(dǎo)線連接，在雙節(jié)電池盒上粘上雙面膠，另一面粘在板上，如圖3(b)所示.

3)用4mm粗紋螺絲把天線和遙控板白色導(dǎo)線頭安裝在板上，這樣，遙控器安裝也完成了，如圖3(c)所示.

圖3 無(wú)線遙控器安裝圖

3 原理分析

3.1 船的受力

船在水中受豎直向下的重力G和豎直向上的浮力F浮，根據(jù)初中所學(xué)沉浮條件,重力與浮力，船的密度與液體的密度關(guān)系如表2所示.

表2 船模在水中受力

3.2 動(dòng)力來(lái)源

“無(wú)線遙控船模”的動(dòng)力來(lái)源是微型電動(dòng)機(jī)，它是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及原理圖如圖4和圖5所示.

圖4 微型電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖5 微型電動(dòng)機(jī)原理圖

微型電動(dòng)機(jī)主要由定子與轉(zhuǎn)子組成.定子在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生固定的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)可以是永磁體或者電磁繞組產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子由多個(gè)繞組組成，當(dāng)繞組受到激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁極與定子的磁極相反，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng).換向器又稱整流子，將電刷上的直流電源換成交流電源，能將電樞線圈中感應(yīng)發(fā)生的交變電動(dòng)勢(shì)改為正負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢(shì).電動(dòng)機(jī)是利用線圈所受“電磁力”而旋轉(zhuǎn)，電磁力等于磁通量密度B與電流I和導(dǎo)體長(zhǎng)度L的乘積，即F=BIL.

3.3 無(wú)線遙控操控

要有效地發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有如下兩個(gè)特點(diǎn).第一，要有足夠高的振蕩頻率.振蕩電路向外界輻射能量的本領(lǐng)，與振蕩頻率密切相關(guān).頻率越高，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)就越大.因此，要發(fā)射電磁波，就需要用振蕩器產(chǎn)生很高頻率的電磁振蕩.第二，振蕩電路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)必須分散到盡可能大的空間，這樣才能有效地把能量輻射出去.船模無(wú)線遙控主要由發(fā)射機(jī)(圖6)和接收機(jī)(圖7)控制.

圖6 無(wú)線發(fā)射機(jī) 圖7 無(wú)線接收機(jī)

遙控發(fā)射機(jī)操控船模方向，其指令是通過(guò)控制開關(guān)和按鈕，經(jīng)過(guò)內(nèi)部編碼電路調(diào)制編碼，再通過(guò)高頻信號(hào)放大電路將電磁波從天線發(fā)射出去.遙控接收機(jī)是用來(lái)接收無(wú)線電信號(hào)，處理來(lái)自遙控發(fā)射機(jī)的無(wú)線電信號(hào)，將所接收的信號(hào)進(jìn)行放大、整形、解碼，并把接收來(lái)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行電路可以識(shí)別的音頻信號(hào)或是數(shù)字脈沖信號(hào)，傳輸給船模上的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，船模就會(huì)通過(guò)這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成我們所發(fā)出的動(dòng)作指令.

4 思政教育

4.1 物理學(xué)史

1887年赫茲證實(shí)了電磁波的存在.實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示.

圖8 赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖

他將兩個(gè)大銅球通過(guò)銅棒連接在兩個(gè)靠得很近的更小的銅棒上，兩個(gè)大銅球作為電容，當(dāng)發(fā)生器線圈的開關(guān)斷開時(shí)，線圈對(duì)電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到2萬(wàn)伏左右時(shí)，會(huì)擊穿空氣，產(chǎn)生電火花，電荷從中穿過(guò)，形成一個(gè)高頻振蕩回路，產(chǎn)生變化的電流，形成變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，繼而產(chǎn)生電磁波.赫茲把產(chǎn)生電磁波的裝置稱“振蕩偶極子”.現(xiàn)在需要一個(gè)電磁波檢測(cè)器來(lái)驗(yàn)證電磁波的存在，他想到了電磁共振，即諧振.于是他制作了一個(gè)斷開的金屬環(huán)，將兩個(gè)金屬小球連接在斷開的兩端，如果發(fā)生諧振，小球之間也會(huì)產(chǎn)生電火花，這就是檢波器，稱“共振偶極子”.赫茲經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，終于證實(shí)了麥克斯韋預(yù)言，發(fā)現(xiàn)了看不見摸不著的電磁波.之后，他又馬不停蹄地做實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了電磁波的衍射、干涉等特性.赫茲的發(fā)現(xiàn)為人類開啟了“信息時(shí)代”的新紀(jì)元，無(wú)線通訊、遙感遙控、衛(wèi)星導(dǎo)航及家用電器等各種應(yīng)用蜂擁而至.人們?yōu)榱思o(jì)念赫茲的偉大成就，把頻率的單位命名為赫茲.每一位偉大的科學(xué)家都曾潛心研究科學(xué)問(wèn)題數(shù)十載，為了科研甚至廢寢忘食，生活捉襟見肘，但依然將一生奉獻(xiàn)給科研，他們的奉獻(xiàn)鉆研精神、對(duì)真知的執(zhí)著追求和敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度值得每一位同學(xué)去學(xué)習(xí).

4.2 科技前沿

縱觀古今中外，人類對(duì)自然奧秘充滿神奇和向往，并為之不斷進(jìn)行探索，早在1960年，美國(guó)就設(shè)立射電望遠(yuǎn)鏡尋找“外星人”，他們就是利用電磁波來(lái)搜索宇宙中的無(wú)線電信號(hào)，遺憾的是，至今未發(fā)現(xiàn)所謂的“外星人”信號(hào).南仁東先生所引領(lǐng)創(chuàng)造的被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)是世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，它可以搜索和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星，正在探索宇宙外星文明.人類不僅設(shè)立望遠(yuǎn)鏡接收外界信號(hào)，也向宇宙發(fā)出電磁波向“外星人”問(wèn)好，不過(guò)未發(fā)現(xiàn)任何回應(yīng)，目前發(fā)現(xiàn)存在人類文明的星球只有地球，所以我們要保護(hù)好我們賴以生存的家園，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源，為美麗地球村做出貢獻(xiàn).同時(shí)，我們要學(xué)習(xí)南仁東先生不怕吃苦，勇于奮斗的攻堅(jiān)精神，為我們祖國(guó)在未來(lái)探索宇宙的藍(lán)圖上增添一筆輝煌的色彩.

4.3 總結(jié)與反思

一千個(gè)觀眾眼中就有一千個(gè)哈姆萊特，基于STEAM 理念的項(xiàng)目式探究學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們面對(duì)的是成千上萬(wàn)的鮮活的有創(chuàng)造力、有潛能的學(xué)生，有一千個(gè)學(xué)生就有一千個(gè)創(chuàng)作，只需要提供符合他們個(gè)性發(fā)展的學(xué)習(xí)環(huán)境和資源，給予他們適當(dāng)?shù)闹敢蛦l(fā)，讓他們的創(chuàng)新思維盡情的在STEAM 教育的舞臺(tái)上釋放[7,8].船模制作不止上述一種創(chuàng)造方法，可以加上新能源的利用，安裝太陽(yáng)能板，變成動(dòng)力和新能源兩用船，既保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了能源，也增加了多功能體驗(yàn)；將礦泉水瓶改成美觀的船殼，將甲板進(jìn)行染色，增添美觀，體現(xiàn)了STEAM教育理念中的“藝術(shù)”理念；還可以改裝成水陸兩棲船，增加多功能性.還有更多的設(shè)計(jì)理念等著這些富有潛力的學(xué)生去開發(fā)創(chuàng)造.學(xué)生可發(fā)揮創(chuàng)造力，對(duì)自己的船模進(jìn)行多樣命名和設(shè)計(jì)，比如“不倒泰坦尼克號(hào)”“鯤鵬號(hào)”等.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本節(jié)課“無(wú)線遙控船模”的項(xiàng)目制作過(guò)程，滲透物理核心素養(yǎng)和STEAM素養(yǎng).學(xué)習(xí)中國(guó)科學(xué)家不懼艱險(xiǎn)、不怕吃苦和勇于奮斗的探海精神，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷和工匠精神，鼓勵(lì)學(xué)生要敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新，將來(lái)為加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)而努力奮斗，為祖國(guó)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)一百年奮斗目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)目標(biāo)而崛起，將來(lái)在航海、航空等領(lǐng)域貢獻(xiàn)中國(guó)智慧和中國(guó)力量.