STEAM 教育理念下電場自動測繪儀的開發(fā)

摘 要 將靜電場教學(xué)實(shí)踐中遇到的問題，作為課外拓展課題研究是新工科人才培養(yǎng)的有效方式之一。本文基于STEAM 教育理念，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以學(xué)生為主體，以跨學(xué)科融合和創(chuàng)新為導(dǎo)向，制定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法。將物理理論和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和Matlab程序，設(shè)計出新型可視化電場自動測繪儀。該儀器操作簡便高效，測量精度高，還能直觀展示電場的動態(tài)變化。而學(xué)以致用的過程，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和知識綜合運(yùn)用能力，也為高校的教學(xué)改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞 STEAM 教育理念;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);電場自動測繪儀

密立根說：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)。有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。只有使用兩條腿，才能前進(jìn)?！贝髮W(xué)物理是高校理工科各專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、高階思維和創(chuàng)新能力起著重要作用，但傳統(tǒng)教學(xué)中“重理論、輕實(shí)驗(yàn)”的情況，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的到來，如何培養(yǎng)新工科背景下新經(jīng)濟(jì)所需的實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才，已成教學(xué)改革探討的熱點(diǎn)問題[1，2]。

新工科強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性和綜合性，而傳統(tǒng)教學(xué)缺乏綜合能力培養(yǎng)。2015年，教育部提出要探索STEAM 新教育模式，加快創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)步伐[3]。STEAM 教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)為一體的多學(xué)科綜合性教育，是一種重實(shí)踐的超學(xué)科教育理念。它打破常規(guī)學(xué)科界限，以跨學(xué)科融合和創(chuàng)新為導(dǎo)向，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題和終身學(xué)習(xí)的能力。因物理學(xué)科與STEAM 教育理念共融，故在物理教學(xué)中融入STEAM 教育的可操作性更強(qiáng)[4]。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能有效進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[5]。

大學(xué)物理中研究靜電現(xiàn)象及其應(yīng)用時，需要確定帶電體周圍的電場分布情況，但電場理論抽象難懂，大都不能求出其電場分布，往往采用實(shí)驗(yàn)方法模擬測繪。實(shí)際教學(xué)中，就有“用模擬法測繪靜電場”的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，所用實(shí)驗(yàn)裝置基于打點(diǎn)法，實(shí)驗(yàn)者要描繪電場分布就需手動測量待測電場中上百個位置的電勢值，操作耗時、誤差大。鑒于此，不少研究探討了此實(shí)驗(yàn)，例如：有研究用指數(shù)擬合法、二元線性回歸法等數(shù)據(jù)處理方法來減小誤差[6];也有研究以此實(shí)驗(yàn)為對象，開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[7]。但進(jìn)一步融合大學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)，開發(fā)電場自動測繪儀仍是很有意義的課題。

本文在STEAM 教育理念下，開展大學(xué)物理的課外拓展課題研究。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生對電場測繪儀進(jìn)行開發(fā)。筆者團(tuán)隊(duì)運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)和Matlab軟件，設(shè)計開發(fā)了一種能同時測出多個位置電勢的新型電場自動測繪儀。

1 STEAM 教育的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法

1.1 教學(xué)目標(biāo)

基于STEAM 教育理念制定課外拓展課題的教學(xué)目標(biāo)時，要注重跨學(xué)科融合性、實(shí)踐互動性和開放自主性。結(jié)合“電場自動測繪儀”的設(shè)計思路，從知識、技能、思維、素養(yǎng)四個維度設(shè)定了教學(xué)目標(biāo)，如表1所示。

1.2 教學(xué)方法

根據(jù)教學(xué)環(huán)境和學(xué)生實(shí)際情況，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中融入了三種教學(xué)方法[4]。

（1） 實(shí)驗(yàn)探究法：教師作為組織者，讓學(xué)生通過親身參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計操作、測試交流和評價優(yōu)化過程，探索出解決問題的方案，增強(qiáng)高階思維能力。

（2） 合作討論法：以小組形式，通過分工合作、取長補(bǔ)短共同完成開發(fā)項(xiàng)目。這種方法很適合綜合性強(qiáng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，能發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢。

（3） 自主學(xué)習(xí)法：以學(xué)生為認(rèn)知主體，培養(yǎng)其獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)能力，變“學(xué)會”為“會學(xué)”。

2 STEAM—項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)施過程

2.1 項(xiàng)目前期

（1） 發(fā)現(xiàn)問題、確定任務(wù)。在教學(xué)中，先讓學(xué)生完成傳統(tǒng)的靜電場測繪實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)生用心觀察體會，提出問題，并將發(fā)現(xiàn)的問題匯總。然后，在教師引導(dǎo)下探討確定課題研究任務(wù)。理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（2） 設(shè)定目標(biāo)、團(tuán)隊(duì)分工。項(xiàng)目基于STEAM教育理念，以學(xué)生為主體，從科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)五方面構(gòu)建多元化的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

按圖1所示流程，展開設(shè)計研究工作。先在教師組織下，根據(jù)自身特長確定分組成員。然后，針對現(xiàn)有測繪儀的不足之處，通過自主學(xué)習(xí)，掌握項(xiàng)目所需的物理、實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)和計算機(jī)等相關(guān)理論知識。

2.2 項(xiàng)目中期

（1） 教師引導(dǎo)、分組設(shè)計。在教師引導(dǎo)下，將所學(xué)理論知識和單片機(jī)技術(shù)、編程技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)用于設(shè)計系統(tǒng)裝置和儀器制作。各小組具體任務(wù)如表2所示。

學(xué)生將多學(xué)科知識融會貫通，構(gòu)建綜合知識體系，實(shí)現(xiàn)知識的橫向互補(bǔ)。鼓勵學(xué)生提出多元設(shè)計方案，體驗(yàn)失敗。在發(fā)現(xiàn)、解決現(xiàn)實(shí)問題的過程中體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

（2） 分組實(shí)驗(yàn)、展示交流。要用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場，就要使兩者滿足相同的數(shù)學(xué)方程和邊界條件。即①所測電極的形狀和帶電體的幾何形狀相同;②電極和導(dǎo)電介質(zhì)要接觸良好，導(dǎo)電介質(zhì)是均勻各向同性介質(zhì);③電極的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率。因此，實(shí)驗(yàn)采用與電源正負(fù)極連接的兩個點(diǎn)電極的穩(wěn)恒電流場來模擬等量異號的點(diǎn)電荷系的電場，而導(dǎo)電介質(zhì)選擇與電極接觸良好且導(dǎo)電率均勻的導(dǎo)電溶液。分兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別選用0.5mol/L 的Na2SO4 溶液和0.5mol/L 的NaHCO3 溶液。然后結(jié)合數(shù)學(xué)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，兩組進(jìn)行展示交流。通過實(shí)驗(yàn)探究和展示交流，提高了學(xué)生的操作技能和組織表達(dá)能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，體會數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)之美。

（3） 師生探討、優(yōu)化方案。師生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對實(shí)驗(yàn)裝置反復(fù)交流探討，找到設(shè)計中的不足，不斷優(yōu)化，形成的最終設(shè)計方案如下：

系統(tǒng)裝置如圖2所示，主要包括電場測繪儀模塊、導(dǎo)電溶液盒和輸出顯示單元。探針均勻分布在測繪儀的主體電路板上，可同時測出不同場點(diǎn)處的電勢值，提高了實(shí)驗(yàn)的效率和精度。

該系統(tǒng)裝置的工作流程如圖3所示。測繪儀的主體由核心板和電勢測量主板構(gòu)成，儀器通過單片機(jī)控制主板芯片，選擇待測探針，打開對應(yīng)通道，高效準(zhǔn)確地采集處理電勢數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動測量功能。

設(shè)計的電勢測量主板主要包括譯碼器、模擬開關(guān)、探針等，其電路原理圖和焊接完成的實(shí)物分別如圖4和圖5所示。此設(shè)計不僅便于系統(tǒng)搭建和故障排除，還可在不犧牲性能的情況下節(jié)約成本。

裝置的控制及測繪系統(tǒng)由單片機(jī)控制，其控制模塊的軟件流程如圖6所示。先設(shè)定采樣通道次序和中斷函數(shù)，再通過探針測量單通道電壓，并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后判斷是否符合數(shù)據(jù)采集條件。若符合條件，就通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦;若不符合條件，就改變測量通道，重復(fù)操作，直到完成對整個穩(wěn)恒電流場的測量。

結(jié)合Matlab軟件具有實(shí)時數(shù)據(jù)采集處理并將數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢[8]，裝置通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦，運(yùn)行組員編寫的Matlab程序就能自動繪制成圖。這比手工繪圖更準(zhǔn)確美觀，還能實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。學(xué)生在體會學(xué)以致用的成就感時，也強(qiáng)化了創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。項(xiàng)目有效融合多學(xué)科知識，體現(xiàn)了STEAM 教學(xué)的跨學(xué)科融合性;而自主設(shè)計的過程，也體現(xiàn)了STEAM 教學(xué)的實(shí)踐互動性和開放自主性。

2.3 項(xiàng)目后期

（1） 系統(tǒng)測試、總結(jié)評價。開發(fā)的測繪儀具體操作方法如圖7所示。

對儀器進(jìn)行系統(tǒng)測試，繪制出可視化電場分布圖，如圖8和圖9所示。這使大學(xué)物理中抽象的電場分布直觀形象化，能深化學(xué)生對靜電場理論的理解，還能感受物理學(xué)的理性美和科學(xué)的簡潔美。

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，再用COMSOL仿真軟件對相同濃度的Na2SO4 溶液和NaHCO3 溶液中的電場分布進(jìn)行仿真模擬，如圖10所示。

研究結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)所測兩種導(dǎo)電溶液中點(diǎn)電極的電場線分布均與等量異號的點(diǎn)電荷系的電場線分布相符，且與COMSOL 軟件的仿真結(jié)果也吻合?？梢?，實(shí)驗(yàn)選用的導(dǎo)電溶液只要符合設(shè)計方案中的條件就可以，其測量結(jié)果是相同的。圖像邊緣在細(xì)節(jié)上與理想電場存在一些小的差異，分析其原因，主要是由于實(shí)驗(yàn)所用導(dǎo)電溶液盒大小有限，實(shí)際的測量結(jié)果受到有限邊界的影響。

總體而言，相較于傳統(tǒng)的靜電場測繪實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化改進(jìn)后的電場自動測繪儀操作簡便，能高效精準(zhǔn)地測繪更多數(shù)據(jù)點(diǎn)，使模擬圖線平滑美觀，也使測繪結(jié)果更合理可靠。實(shí)驗(yàn)還可拓寬測繪范圍，測量不同電極系統(tǒng)在不同導(dǎo)電介質(zhì)中的電場1分布。

（2） 解決問題、反思改進(jìn)。通過項(xiàng)目開發(fā)，解決了教學(xué)中的實(shí)際問題，豐富了大學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生的知識遷移能力。今后還可將電極系統(tǒng)放置在可升降的支架上，通過調(diào)節(jié)支架高度測量導(dǎo)電溶液內(nèi)不同深度處的電場，繪出三維電場分布圖。也可以進(jìn)一步優(yōu)化電路板設(shè)計，提高集成度，讓儀器更精巧。

3 結(jié)語

本文基于單片機(jī)技術(shù)和Matlab程序，自主設(shè)計開發(fā)了一套可視化的電場自動測繪儀。該儀器不僅兼具傳統(tǒng)儀器的功能，還具有操作簡便高效、精度高、數(shù)據(jù)可視化等優(yōu)點(diǎn)。

整個開發(fā)過程基于STEAM 教育理論，建立多維度的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行全方位育人。把不同學(xué)科的知識整合在項(xiàng)目中，讓學(xué)生融會貫通，學(xué)以致用。通過團(tuán)隊(duì)探索，以發(fā)現(xiàn)、解決實(shí)際問題為核心，從知識、技能、思維和素養(yǎng)四個維度提升參與者的創(chuàng)新能力和知識綜合運(yùn)用能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科思維和批判性思維。而團(tuán)隊(duì)合作增強(qiáng)了學(xué)生的協(xié)作溝通能力和責(zé)任感，在潛移默化中提升了學(xué)生的工程素養(yǎng)。這為新工科背景下創(chuàng)新型應(yīng)用人才的培養(yǎng)和大學(xué)物理教學(xué)改革提供了新思路。

參 考 文 獻(xiàn)

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