姚海遠(yuǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：（2021）-08-147

一、案例研發(fā)（開(kāi)發(fā)）描述

1、學(xué)生們使用西紅柿照亮LED時(shí)鐘（或燈泡），使他們了解電池如何在簡(jiǎn)單的電路中工作以及化學(xué)能如何變?yōu)殡娔堋ｋS著他們更多地了解電能，他們更好地理解電壓，電流和電阻的概念。

2、使用自己在化學(xué)和物理學(xué)科中學(xué)習(xí)到的知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)西紅柿電池。

課程基本信息

年級(jí)：高中一年級(jí)

課時(shí)：2課時(shí)

團(tuán)隊(duì)規(guī)模：4人

學(xué)科領(lǐng)域：科學(xué)、物理、化學(xué)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)

2、案例實(shí)施目標(biāo)

科學(xué)目標(biāo)：利用多種能源發(fā)電、儲(chǔ)存能力

物理目標(biāo)：電路圖、電能、電壓、電流以及萬(wàn)用表的使用等;

化學(xué)目標(biāo)：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的反應(yīng)，電池的工作原理以及導(dǎo)電溶液的選擇等;

工程目標(biāo)：完成電路圖連接，電池的工程設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足應(yīng)用需求、改進(jìn)測(cè)試;

藝術(shù)目標(biāo)：利用水果設(shè)計(jì)水果電池并繪制設(shè)計(jì)圖;

數(shù)學(xué)目標(biāo)：電壓計(jì)算、電流公式等，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科能力，通過(guò)實(shí)際操作促進(jìn)知識(shí)的理解和遷移。

三、教學(xué)實(shí)施條件（準(zhǔn)備）

STEAM教室、3個(gè)西紅柿（新鮮）、3個(gè)銅硬幣（或銅條，保證每個(gè)西紅柿一個(gè)）、3個(gè)鋅釘（這些是鍍鋅釘，可在五金店買(mǎi)到或是鋅皮）、5根絕緣電線(xiàn)（長(zhǎng)15-20厘米，且末端有鱷魚(yú)夾）、1個(gè)低電流的發(fā)光二極管（LED時(shí)鐘，或LCD時(shí)鐘（需要-1.5伏），或一個(gè)小LED）、萬(wàn)用表或電壓表（萬(wàn)用表測(cè)量電路的電流，電壓和電阻），小刀

四、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

1.問(wèn)題提出

我們用電池為電器供電。電池通過(guò)向電子提供可以在其中移動(dòng)的溶液來(lái)工作。你有沒(méi)有注意到有些電池的銅端是正極（用加號(hào)（+）表示）而另一端是負(fù)極（用負(fù)號(hào)（-）表示）？鋅是一種喜歡將電子提供給銅的金屬。通常，鋅只是將其電子提供給銅，然后過(guò)程停止。但是，如果你給電子提供一種溶液（稱(chēng)為電解質(zhì)））幫助他們移動(dòng)到銅線(xiàn)上，然后給電子提供一條

線(xiàn)，使銅線(xiàn)可以從銅線(xiàn)移回鋅線(xiàn)，產(chǎn)生電路和電能流動(dòng)路徑。（注意：常規(guī)電流從正極流向負(fù)極，因此從銅線(xiàn)，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)回流到鋅線(xiàn)。電子實(shí)際上從負(fù)極流向正極。）

2.方案設(shè)計(jì)

學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，在活動(dòng)開(kāi)始之前了解課程背景并收集材料，完成“電池工作學(xué)習(xí)單”，小組合作利用西紅柿發(fā)電使LED燈亮起來(lái)。

課程步驟

1.將班級(jí)分成兩個(gè)或三個(gè)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)。分發(fā)材料。

2.指導(dǎo)小組將鋅片和銅片小心地放入西紅柿中。確保西紅柿中兩種不同的金屬不相互接觸

3.將一個(gè)鱷魚(yú)夾連接到從伸出的銅片的末端，將另一個(gè)鱷魚(yú)夾連接到鋅片的末端，從西紅柿伸出。

4.將萬(wàn)用表設(shè)置為低電壓“直流電壓”和電流“直流毫安”，這樣學(xué)生就可以看到一個(gè)西紅柿可以產(chǎn)生的電荷。預(yù)計(jì)馬鈴薯產(chǎn)量不到1伏。鼓勵(lì)學(xué)生將萬(wàn)用表的十進(jìn)制讀數(shù)轉(zhuǎn)換為分?jǐn)?shù)（例如，0.82伏= 82/100伏）。

5.讓學(xué)生弄清楚他們需要多少西紅柿點(diǎn)亮他們的LED時(shí)鐘（或時(shí)鐘）。例如，如果他們的西紅柿產(chǎn)生0.8伏的電壓，那么他們可能需要兩個(gè)西紅柿來(lái)為1.5伏電壓供電。

6.讓學(xué)生嘗試弄清楚如何將兩個(gè)西紅柿連在一起。要將兩個(gè)西紅柿串聯(lián)起來(lái)（以增加更多電壓），將一分錢(qián)和釘子放入第二個(gè)馬西紅柿中，并將第一個(gè)西紅柿中的鋅釘和第二個(gè)西紅柿中的銅線(xiàn)連接起來(lái)。然后，在第二個(gè)西紅柿的鋅釘上加入第三根絲。務(wù)必記住將西紅柿（電池）的銅（正極）端連接到下一個(gè)西紅柿的鋅（負(fù)極）端。

3.實(shí)踐活動(dòng)

電池工作學(xué)習(xí)單

1.在下面的空間中畫(huà)一幅電池的安裝圖。標(biāo)記西紅柿、電線(xiàn)和燈泡的部件。畫(huà)箭頭表示電流的方向。

2.西紅柿如何幫助電路工作？

3.為什么在制造電器時(shí)必須了解電路？

4.你設(shè)計(jì)的電池輸出電壓是多少？

4.作品分享與評(píng)價(jià)

1.活動(dòng)前評(píng)估

（1）頭腦風(fēng)暴：小組討論，讓學(xué)生參與公開(kāi)討論。提醒他們，沒(méi)有任何想法或建議是“愚蠢的”。所有的意見(jiàn)都應(yīng)該被尊重地聽(tīng)取。采取不加批判的立場(chǎng)，鼓勵(lì)大膽的想法，不鼓勵(lì)對(duì)想法的批評(píng)。問(wèn)學(xué)生他們能想出多少用電池驅(qū)動(dòng)的東西，并把他們的想法寫(xiě)在黑板上。

（2）快速投票：活動(dòng)開(kāi)始前，向全班同學(xué)提出一個(gè)問(wèn)題，我們能從水果或蔬菜中獲得電能嗎？并把他們的答案寫(xiě)在黑板上。

2.活動(dòng)嵌入式評(píng)估

（1）學(xué)習(xí)單核對(duì)檢查：讓學(xué)生單獨(dú)或兩人一組做一個(gè)電池練習(xí)單。在他們完成后，讓他們與一個(gè)同學(xué)或另一對(duì)同學(xué)比較答案，給所有學(xué)生時(shí)間完成作業(yè)。

（2）假設(shè)問(wèn)題：如果我們?cè)诨芈分羞B續(xù)加入更多的西紅柿，會(huì)發(fā)生什么？（回答：一排加更多的西紅柿和一排加電池是一樣的。把每塊西紅柿的電壓加起來(lái)。這樣，電路的電壓就會(huì)增加。另一方面，我們電路的電流不會(huì)增加。電流與西紅柿的數(shù)量無(wú)關(guān)，而是與每個(gè)西紅柿的大小有關(guān)。）

3、活動(dòng)后評(píng)估

（1）解決問(wèn)題：向?qū)W生展示下列數(shù)學(xué)問(wèn)題，并讓學(xué)生計(jì)算每個(gè)蔬菜或水果需要多少才能點(diǎn)亮燈泡。

如果一個(gè)檸檬能產(chǎn)生1伏的能量，你需要多少個(gè)檸檬才能點(diǎn)亮一個(gè)2伏的燈泡？（回答：2）

如果一個(gè)馬鈴薯產(chǎn)生0.8伏的能量，你需要多少個(gè)馬鈴薯來(lái)點(diǎn)亮一個(gè)1.5伏的燈泡？（回答：2）

如果一個(gè)馬鈴薯產(chǎn)生0.8伏的能量，你需要多少個(gè)馬鈴薯來(lái)點(diǎn)亮一個(gè)3伏的數(shù)字時(shí)鐘？（回答：4）

如果你有一個(gè)檸檬能產(chǎn)生1伏的能量，一個(gè)蘋(píng)果能產(chǎn)生1伏的能量，你能點(diǎn)亮一個(gè)3伏的時(shí)鐘嗎？（回答：不，你還需要一個(gè)檸檬或蘋(píng)果。）

（2）制圖：工程師必須了解電路是如何工作的，才能開(kāi)發(fā)出酷炫的新技術(shù)。畫(huà)一幅你的西紅柿電池的圖片。標(biāo)記電池（電壓）和電阻（燈泡）。畫(huà)一個(gè)箭頭表示電流（從銅端到鋅端）。列出兩個(gè)工程師可以開(kāi)發(fā)的用水果電池驅(qū)動(dòng)的酷產(chǎn)品。

（3）故障排除提示

如果LED時(shí)鐘、燈或小燈泡不工作，檢查西紅柿電池的設(shè)置?？赡懿皇撬械亩俗佣紡呢?fù)極連接到正極，或者西紅柿的電壓不夠，用萬(wàn)用表或電壓表檢查西紅柿的電壓。另一種可能性是有足夠的電壓，但沒(méi)有足夠的電流來(lái)點(diǎn)亮燈泡，這就是為什么建議只使用非常低電壓的LED時(shí)鐘或燈泡。此外，嘗試使用更多的西紅柿（即5個(gè)半塊的西紅柿），以增強(qiáng)電導(dǎo)率。

嘗試不同的LED顏色（例如，藍(lán)色的LED可能比紅色的效果更好）。

五、反思與改進(jìn)

活動(dòng)結(jié)束時(shí)，在學(xué)生們拆卸西紅柿電池之前，讓全班同學(xué)把他們的水果電池串聯(lián)起來(lái)，做一個(gè)更大的西紅柿電池，這很有趣。

用不同的水果或蔬菜再次嘗試這個(gè)活動(dòng)。很多水果和蔬菜都可以，比如檸檬、酸橙、蘋(píng)果和胡蘿卜等，讓學(xué)生比較不同水果和蔬菜的表現(xiàn)。

再次使用電解質(zhì)溶液完成活動(dòng)，如鹽水或醋等，比較不同電解質(zhì)溶液的性能。

增加一個(gè)數(shù)學(xué)部分，讓學(xué)生使用萬(wàn)用表來(lái)比較幾種不同水果的電流以及水果的總使用量。讓他們畫(huà)出結(jié)果的圖表，并假設(shè)發(fā)生了什么。

本文系合肥市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《基于STEAM教育理念下高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究》（編號(hào)HJG20040）的研究成果

安徽省合肥市第十一中學(xué) 232200