趙小娟

摘 要：環(huán)保和科學(xué)研究意識(shí)的培養(yǎng)是教育的重要目標(biāo)，本文通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并建立科技小課題研究解決問(wèn)題，嘗試開展了將物理學(xué)上的熱聲效應(yīng)運(yùn)用到廢熱資源利用，通過(guò)手機(jī)微型揚(yáng)聲器的動(dòng)圈感生出電流發(fā)電的課題研究。項(xiàng)目結(jié)合了廢熱和廢舊手機(jī)揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)廢物和廢能的有效利用，提高了學(xué)生對(duì)環(huán)保的關(guān)注度，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了研究的基本方法，提高了動(dòng)手能力，對(duì)教育目標(biāo)的達(dá)到起到了巨大的強(qiáng)化作用。

關(guān)鍵詞：科技小課題;廢熱;發(fā)電;學(xué)習(xí)動(dòng)力;中圖分類號(hào)

一、課題來(lái)源

本項(xiàng)目熱致聲驅(qū)動(dòng)裝置就是采用手機(jī)揚(yáng)聲器作為功能轉(zhuǎn)換器，用熱產(chǎn)生聲波來(lái)驅(qū)動(dòng)與微制造技術(shù)結(jié)合的熱聲元件（手機(jī)揚(yáng)聲器）和諧振腔，由聲振蕩引起工質(zhì)壓力和溫度的振蕩，驅(qū)動(dòng)手機(jī)揚(yáng)聲器音圈運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)廢熱發(fā)電，項(xiàng)目相對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)具有一定的研究難度，但是項(xiàng)目的主題意義好，既有對(duì)物理基本概念的深刻認(rèn)識(shí)，又有對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器的操作應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備，還有資料的調(diào)研及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，鍛煉比較全面，能夠起到非常好的教育引導(dǎo)作用。

二、需求分析

這項(xiàng)活動(dòng)開展開始時(shí)，教師要求學(xué)生帶著我們?yōu)槭裁醋鲞@個(gè)課題，即開展課題研究的意義是什么，以這個(gè)目標(biāo)出發(fā)和學(xué)生一起通過(guò)各種方式查資料，讓學(xué)生了解到，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，在單位面積上可集成的芯片和電路越來(lái)越多，單位面積的散熱功率也在不斷增大。由此帶來(lái)的過(guò)高溫度會(huì)降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯(cuò)率。如果使用微型熱回收裝置作為微電子芯片和電路系統(tǒng)的熱量管理手段，將會(huì)大大提高設(shè)備的性能。老師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)國(guó)外相關(guān)網(wǎng)站和外文文獻(xiàn)利用翻譯軟件等手段解讀，對(duì)這些資料大家一起討論，從而激發(fā)了學(xué)生濃厚的興趣，確定以解決小問(wèn)題出發(fā)，以鍛煉基本能力為目的，提出項(xiàng)目課題，大家一致認(rèn)為這個(gè)小課題也許有大的用途，從而敢于面對(duì)課題的挑戰(zhàn)。

三、制定研究步驟

為了更好的完成實(shí)驗(yàn)工作，根據(jù)大家調(diào)研的情況，老師和學(xué)生們討論認(rèn)為，廢熱驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)電裝置，具有熱聲元件的微型化特點(diǎn)，作為原理性工作，為簡(jiǎn)單易行，在設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試方面盡量采用現(xiàn)成材料和工藝，首先實(shí)現(xiàn)原理性突破，并提出以下問(wèn)題是在廢熱驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)電裝置研究中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）聲驅(qū)動(dòng)器的微型化設(shè)計(jì)模型。聲驅(qū)動(dòng)器要求能提供高頻的、具有一定聲功率的輸出，同時(shí)是微型的;

（2）熱聲元件的微型化設(shè)計(jì)模型;

（3）試驗(yàn)系統(tǒng)的微型化，進(jìn)行試驗(yàn)研究測(cè)試，需要小電量電源數(shù)據(jù)測(cè)試儀器。

這些知識(shí)相對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)較為專業(yè)，但我們的目標(biāo)主要是讓學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦和嘗試，并學(xué)會(huì)梳理問(wèn)題，可以從以上的問(wèn)題中提出一些可以選擇的方法和材料，并動(dòng)手應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)裝置中。

根據(jù)對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的梳理，老師引導(dǎo)學(xué)生討論并整理出課題的研究?jī)?nèi)容：

（1）手機(jī)揚(yáng)聲器的特性選擇研究，確定揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)和特性及聲驅(qū)動(dòng)器振子的特點(diǎn)并進(jìn)行選擇驗(yàn)證;

（2）由老師采用成熟的教學(xué)商業(yè)計(jì)算軟件，建立熱聲驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的模擬模型，確定聲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與熱聲諧振系統(tǒng)的阻抗匹配方案;

（3）進(jìn)行熱致聲驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置的試驗(yàn)研究。

四、開展研究工作

老師指導(dǎo)學(xué)生收集廢舊手機(jī)，教會(huì)學(xué)生針對(duì)不同的手機(jī)封裝結(jié)構(gòu)，先觀察，然后大家配合開展“拆機(jī)”作業(yè)，讓學(xué)生看到小小的手機(jī)中各種巧妙的設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)靈活使用不同的實(shí)驗(yàn)室工具，針對(duì)卡扣，螺絲，錫焊和膠粘等不同的緊固方式，在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下完整地取下需要的微型揚(yáng)聲器，僅僅這一初步的工作，就讓學(xué)生其樂(lè)無(wú)窮，從剛開始的手足無(wú)措，亂拉亂扯，“野蠻”破壞，到穩(wěn)扎穩(wěn)打，先觀察定步驟到細(xì)致解剖，學(xué)生說(shuō)自己像一個(gè)外科醫(yī)生，觀察動(dòng)手能力和耐心得到極大提高，看到自己拆下的干凈利落的揚(yáng)聲器組件，一個(gè)個(gè)自豪滿滿，并開展了電聲的基本演示和測(cè)試，看到能夠通過(guò)調(diào)整頻率改變聲音，大家對(duì)聲學(xué)部分的知識(shí)有了根部的認(rèn)識(shí)，其它如電阻、電壓等特性測(cè)試也是讓學(xué)生們興趣盎然。

第二步是準(zhǔn)備熱聲管，學(xué)生提出用實(shí)驗(yàn)室試管和細(xì)銅絲作為基本材料，因?yàn)樵谝恍┪墨I(xiàn)上看到這樣的應(yīng)用，老師也鼓勵(lì)大家動(dòng)手，于是按照計(jì)算好的材料用量、放置位置等基本參數(shù)動(dòng)手準(zhǔn)備，很快管子也做好了。

根據(jù)預(yù)先畫好的接線圖，學(xué)生們將揚(yáng)聲器膜片與熱聲管開口連接，為便于更換熱聲管蓄熱材料，有學(xué)生提出用膠塞密封，大家都一致認(rèn)可，激動(dòng)人心的一刻來(lái)臨了，為了安全，老師將做好的小裝置一端放在酒精燈上加熱，卻始終沒(méi)有聽到揚(yáng)聲器的發(fā)音，說(shuō)明沒(méi)有產(chǎn)生聲振動(dòng)或者波動(dòng)太小，同學(xué)們有些失望，老師鼓勵(lì)大家不要灰心，研究工作往往就是這樣，任何事情不會(huì)一帆風(fēng)順，激發(fā)大家分析想辦法，有個(gè)同學(xué)提出接一個(gè)精密的儀表測(cè)試，后來(lái)在家長(zhǎng)的幫助下，又不斷改變蓄熱材料種類、重量及位置等條件，用借來(lái)的儀表對(duì)揚(yáng)聲器兩端的電壓進(jìn)行檢測(cè)，終于可以觀察到極小的電壓波動(dòng)，說(shuō)明我們的裝置在原理上是行得通的，只是在各個(gè)方面都未做到精細(xì)化，損失太大，無(wú)法觀察到明顯的現(xiàn)象。雖然沒(méi)有達(dá)到項(xiàng)目要求，但大家仍然非常高興，因?yàn)樵谶@整個(gè)過(guò)程中，大家手腦并用，觀察記錄，配合討論，特別像一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，大家對(duì)知識(shí)的渴望，對(duì)自己能力的提高充滿了期待，并意識(shí)到每門課的知識(shí)都很重要，這些學(xué)生在后來(lái)的課堂學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)的熱情、主動(dòng)性和對(duì)課外知識(shí)的獲取能力都得到極大提高，失之桑漓得知桑榆，課題研究達(dá)到了我們的目的。

五、結(jié)論

（1）通過(guò)本項(xiàng)目研究，學(xué)生將從主要的較為單一的被動(dòng)接受知識(shí)，需要告訴的被教育者，通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐活動(dòng)中，由興趣到需求，由需求到已有知識(shí)擴(kuò)展應(yīng)用，再到對(duì)新知識(shí)和信息的探索，從而激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)本能，并逐漸形成一種良好的迭代作用，成為學(xué)習(xí)的主人。

（2）內(nèi)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力增強(qiáng)加上老師的課堂教學(xué)引導(dǎo)，提高了課堂教學(xué)和課后學(xué)習(xí)的效率。科技小課題的綜合性知識(shí)要求，讓學(xué)生體會(huì)各學(xué)科知識(shí)在解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中不同的作用，體會(huì)目標(biāo)一致、分工合作、團(tuán)結(jié)克堅(jiān)的重要性。通過(guò)綜合性的研學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生作為主角，老師作為助力和引導(dǎo)者，老師在過(guò)程中點(diǎn)燃、發(fā)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的潛能和動(dòng)力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，學(xué)生樂(lè)在其中，對(duì)于利用已知探索未知過(guò)程的深刻體會(huì)，由表面到深刻，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程，體會(huì)到一個(gè)真正的學(xué)習(xí)過(guò)程，也體現(xiàn)了“生本”教育理念的巨大價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]郭思樂(lè)著，《教育走向生本》，人民教育出版社，2001年6月版;

[2]張曉青，霍英杰，《高頻微型熱聲制冷機(jī)的特性研究》，工程熱物理學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議論文集。

本文系2018年度蘭州市“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《廢棄手機(jī)揚(yáng)聲器用于廢熱回收發(fā)電裝置的研究》研究成果，課題立項(xiàng)號(hào)LZ〔2018〕GH639