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STEM课程设计与案例分析

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申晴

国外优秀案例马铃薯电池

Hi，大家好~今天我们要和大家分享的是优秀的国外STEM课程哦~快快看起来~

马铃薯电池

课程简介

学生们使用马铃薯照亮LED时钟（或灯泡），使他们了解电池如何在简单的电路中工作以及化学能如何变为电能。随着他们更多地了解电能，他们更好地理解电压，电流和电阻的概念。

相关工程知识

工程师使用电池在各种情况下来储存能量。固体电解质电池最适合在极端天气条件下使用，而镍锌电池在电动汽车中效果最佳。能源工程师不断改进技术，以提高存储太阳能和风能的电池的性能和生命周期成本。在设计电池时，工程师会牢记应用的需求，并使用不同的物质来产生电流。他们考虑的特性包括功率输出，充电能力，可靠性，尺寸，安全性，发热量，生命周期长度，滥用容忍度，成本和回收能力。工程创意的力量非常神奇~

课程基本信息

年级：3-5年级

课时：1课时

团队规模：3人

学科领域：科学、数学、工程、物理、化学、艺术

学习目标：

在此活动之后，学生能够：通过简单的电路描述电能的流动。解释为什么灯泡可能需要一个以上的电池点亮。解释电气工程师在电力开发和电力产品开发中的作用。

材料清单

3个马铃薯（新鲜）、3个铜便士（或铜条，保证每个马铃薯一个）、3个锌钉（这些是镀锌钉，可在五金店买到）、5根绝缘电线（长15-20厘米，且末端有鳄鱼夹）、1个低电流的发光二极管（LED时钟，或LCD时钟（需要-1.5伏），或一个小LED）、万用表或电压表（万用表测量电路的电流，电压和电阻）

课程引言

什么是电能？从哪里来？你能想到任何需要电能才能工作的东西吗？灯具，音乐播放器，电视和烤箱怎么样？我们如何获得运行这些设备的能力？电气工程师在改善生活方面扮演什么角色？我们可以在家里的墙壁插座找到电能。那么，电能如何到达我们家的墙壁插座呢？

该能量来自于一个电力设备，这通常使得电能来自化石燃料的燃烧，如煤和石油。燃烧的燃料产生的热能加热水。当水沸腾时，它变成蒸汽，蒸汽通过管道流入涡轮机（带叶片的轮子）。当涡轮机从蒸汽中旋转时，它会转动发电机（旋转磁铁），使附近原子中的电荷失去平衡并产生电流。电流通过受保护的电线流到我们的家里。

我们怎样才能为电器供电？

来自电池。电池通过向电子提供可以在其中移动的溶液来工作。你有没有注意到有些电池的铜端是正极（用加号[+]表示）而另一端是负极（用负号[-]表示）？锌是一种喜欢将电子提供给铜的金属。通常，锌只是将其电子提供给铜，然后过程停止。但是，如果你给电子提供一种溶液（称为电解质））帮助他们移动到铜线上，然后给电子提供一条线，使铜线可以从铜线移回锌线，产生电路和电能流动路径。（注意：常规电流从正极流向负极，因此从铜线，通过导线回流到锌线。电子实际上从负极流向正极。）

电路是电能的完整路径。这意味着电能或电荷在某处（电压）产生或存储，并且具有电荷流动（或电流）的路径。电路的另一部分是电阻，例如灯泡。电气工程师创建电路以帮助电能执行工作，例如照亮房间或保持食物冷却。电器，灯泡或几乎任何使用电能的设备都是电阻。电阻可防止或减慢电流或电荷移动。当电流流过电阻源时，它可以变成光或热或声音。即使你看不到它，灯泡或电器也会减慢电荷。

电气工程师帮助开发许多需要电能的现代产品和设备。电气工程师还首先帮助创建用于在发电厂中产生电能的技术。这些工程师对电路有很多了解，并且他们不断努力寻找更好的方法来存储电荷并产生电流，而不使用不可再生的化石燃料，如煤和石油。这些电气工程师几乎在我们所做的一切中都非常重要！从本质上讲，电气工程师为社会创造了改进，并帮助为子孙后代拯救地球。

今天，我们将成为电气工程师，并了解更多有关电能如何在电路中工作的信息。我们还将研究从马铃薯储存的能量中产生电流！你认为我们可以用马铃薯点亮灯泡吗？一起来试试吧！

课程知识背景

马铃薯电池是如何工作的？

铜原子比锌原子更能吸引电子。如果你把一条铜带和一条锌带相互接触，许多电子会从锌传递到铜。当它们集中在铜上时，电子互相排斥。当电子间的斥力和电子对铜的引力相等时，电子的流动就停止了。不幸的是，利用这种行为来发电是不可能的，因为电荷的流动几乎立即停止。另一方面，如果你把两条线浸在导电溶液中，然后用导线把它们连接在一起，电极和溶液之间的反应就会不断地给电路充电。这样，产生电能的过程就会继续下去并变得有用。

在导电溶液中，电荷由穿过溶液的离子携带。在固态中，离子不能自由移动。然而，一旦它们溶解在水中，它们就会完全移动。它们可以在水中“游”来游去，因此可以对电池发出的电流做出反应。电流提供电子，使正离子向一个方向流动，负离子向相反的方向流动。离子携带电荷从一个电极到另一个电极，完成了电路。

对于导电溶液，可以使用任何电解质，无论是酸、碱还是盐溶液。电解质是一种物质，它的水溶液中含有各种离子，从而导电。因此，溶液中自由离子越多，导体就越好。许多水果和蔬菜含有富含离子的汁液，因此是很好的导体。和任何电池一样，马铃薯电池的寿命有限。电极会发生阻止电流流动的化学反应。电动势减小，电池停止工作。通常情况下，铜电极产生氢，锌电极获得氧化物的沉积，作为金属和电解质之间的屏障。这被称为极化电极。为了获得更长的寿命和更高的电压和电流流量，有必要使用更适合于此目的的电解质。商用电池除了正常的电解质外，还含有对氢有亲和力的化学物质，这些化学物质会在氢使电极极化之前与氢结合。

活动任务

学生以团队为单位，在活动开始之前了解课程背景并收集材料，完成“电池工作学习单”，小组合作利用马铃薯发电使LED灯亮起来。

课程步骤

1.将班级分成两个或三个学生的团队。分发材料。

2.指导小组将锌指甲和铜便士小心地放入马铃薯中。确保马铃薯中两种不同的金属不相互接触（见图1）。

3.将一个鳄鱼夹连接到从马铃薯伸出的便士的末端，将另一个鳄鱼夹连接到钉子的末端，从马铃薯伸出（见图1）。

4.告诉学生万用表是一种测量电路电流，电压和电阻的仪器，并且是工程师经常使用的工具。将万用表设置为低电压“直流电压”和电流“直流毫安”，这样学生就可以看到一个马铃薯可以产生的电荷。预计马铃薯产量不到1伏。鼓励学生将万用表的十进制读数转换为分数（例如，0.82伏=82/伏）。

5.让学生弄清楚他们需要多少马铃薯点亮他们的LED时钟（或时钟）。例如，如果他们的马铃薯产生0.8伏的电压，那么他们可能需要两个马铃薯来为1.5伏电压供电。

6.让学生尝试弄清楚如何将两个马铃薯连在一起。要将两个马铃薯串联起来（以增加更多电压），将一分钱和钉子放入第二个马铃薯中，并将第一个马铃薯中的锌钉和第二个马铃薯中的铜线连接起来。然后，在第二个马铃薯的锌钉上加入第三根丝。务必记住将马铃薯（电池）的铜（正极）端连接到下一个马铃薯的锌（负极）端（参见图2）。

7.预计两个串联的马铃薯可以点亮LED。但是，你可能需要三个。向学生展示如何以正确的方式将LED连接到马铃薯上，也就是说，将LED的正极端连接到马铃薯电池的负极（锌钉），将LED的负极端连接到马铃薯的正端。电池（铜便士）。

8.让学生讨论马铃薯如何为化学电池提供电解质（溶液）。询问我们可以尝试的其他食物的建议（例如，柠檬，浆果，苹果）。

9.要求学生单独或成对完成工作表。完成后，让他们与同伴或另一对比较答案，让所有学生有时间完成。

相关词汇

导体：允许电子转移的物体。电流：电子的运动。电能：通过电子运动产生的能量(电压X电流)。电解质：导电的溶液。能量：做功的能力。绝缘体：阻止电子转移的物体。电阻：阻止稳定电流通过的物体或物质。电压：所产生的能量。

电池工作学习单

1.在下面的空间中画一幅马铃薯电池的安装图。标记马铃薯、电线和灯泡的部件。画箭头表示电流的方向。

2.马铃薯如何帮助电路工作？

马铃薯为电子提供支持，帮助它们从铜转移到锌，从而完成整个电路。

3.为什么工程师在制造电器时必须了解电路？

工程师需要了解电路，以便在耗电技术中迫使电能通过正确的电阻。

评估

活动前评估

头脑风暴：小组讨论，让学生参与公开讨论。提醒他们，没有任何想法或建议是“愚蠢的”。所有的意见都应该被尊重地听取。采取不加批判的立场，鼓励大胆的想法，不鼓励对想法的批评。问学生他们能想出多少用电池驱动的东西，并把他们的想法写在黑板上。

快速投票：活动开始前，向全班同学提出一个问题，我们能从水果或蔬菜中获得电能吗？并把他们的答案写在黑板上。

活动嵌入式评估

学习单核对检查：让学生单独或两人一组做一个电池练习单。在他们完成后，让他们与一个同学或另一对同学比较答案，给所有学生时间完成作业。

假设问题：如果我们在回路中连续加入更多的马铃薯，会发生什么?(回答:一排加更多的马铃薯和一排加电池是一样的。把每块马铃薯的电压加起来。这样，电路的电压就会增加。另一方面，我们电路的电流不会增加。电流与马铃薯的数量无关，而是与每个马铃薯的大小有关。)

活动后评估

解决问题：向学生展示下列数学问题，并让学生计算每个蔬菜或水果需要多少才能点亮灯泡。

如果一个柠檬能产生1伏的能量，你需要多少个柠檬才能点亮一个2伏的灯泡?(回答:2)如果一个马铃薯产生0.8伏特的能量，你需要多少个马铃薯来点亮一个1.5伏特的灯泡?(回答:2)如果一个马铃薯产生0.8伏特的能量，你需要多少个马铃薯来点亮一个3伏特的数字时钟?(回答:4)如果你有一个柠檬能产生1伏的能量，一个苹果能产生1伏的能量，你能点亮一个3伏的时钟吗?(回答:不，你还需要一个柠檬或苹果。)制图：工程师必须了解电路是如何工作的，才能开发出酷炫的新技术。画一幅你的马铃薯电池的图片。标记电池(电压)和电阻(灯泡)。画一个箭头表示电流(从铜端到锌端)。列出两个工程师可以开发的用水果电池驱动的酷产品。

故障排除提示

如果LED时钟、灯或小灯泡不工作，检查马铃薯电池的设置。可能不是所有的端子都从负极连接到正极，或者马铃薯的电压不够，用万用表或电压表检查马铃薯的电压。另一种可能性是有足够的电压，但没有足够的电流来点亮灯泡，这就是为什么建议只使用非常低电压的LED时钟或灯泡。此外，尝试使用更多的马铃薯(即5个半块的马铃薯)，以增强电导率。尝试不同的LED颜色(例如，蓝色的LED可能比红色的效果更好)。尝试不同的水果电池，柠檬和橙子也很适合这个活动。如果你先把它们放在桌面上滚动，效果最好，这样可以分解里面的细胞，让更多的果汁(电流)流过水果。有些人用铜条代替铜币更容易导电(也可以用铜带包裹硬币)。将马铃薯浸泡在佳得乐（一种饮料）中过夜可以使它们更导电。

拓展活动

活动结束时，在学生们拆卸马铃薯电池之前，让全班同学把他们的水果电池串联起来，形成一个“严肃的马铃薯圈”，这很有趣。让学生用不同的水果或蔬菜再次尝试这个活动。很多水果和蔬菜都可以，比如柠檬、酸橙、苹果和胡萝卜等，让学生比较不同水果和蔬菜的表现。让学生再次使用电解质溶液完成活动，如盐水或醋等，比较不同电解质溶液的性能。增加一个数学部分，让学生使用万用表来比较几种不同水果的电流以及水果的总使用量。让他们画出结果的图表，并假设发生了什么。让更高级的学生用不同数量的马铃薯进行平行和串联配置的实验。

案例分析

教学主题:

本课程以马铃薯电池为主题，通过使用生活中常见的食物作为能量来使LED灯亮起来，了解电池的原理，在简单的电路中如何工作以及化学能如何转变为电能，更好地理解电压、电流和电阻等概念。

教学内容:

本案例是典型的STEM课程，涉及到相关的跨学科知识：物理（电路图、电能、电压、电流以及万用表的使用等），化学（将化学能转化成电能的反应，电池的工作原理以及导电溶液的选择等），工程（完成电路图连接，电池的工程设计，满足应用需求、改进测试），数学（电压计算、电流公式），科学（利用多种能源发电、储存能力），艺术（利用水果设计水果电池并绘制设计图）等，培养学生的跨学科能力，通过实际操作促进知识的理解和迁移。

教学教法:

教师以小组合作的形式组织开展教学活动。在活动开始之前，从生活中常见问题入手引入电气工程师，进而引入电池的概念。教师组织学生进行头脑风暴，鼓励学生说出自己的想法并记录，发挥学生的创造性。在活动中教师设计电池工作学习单，引导学生理解电池的原理以及设计电路的重要性。在完成学习单后，学生互查，促进同伴沟通以及交流。教师提出的假设能引导学生在活动中去进行验证，进而在活动完成后可以进行问题解决和评估。另外，教师提供故障排除提示，帮助学生自己检查电路并反思，最终得出解决方案。

教学材料:

本案例中的教学材料中马铃薯是生活中比较常见的，易于采购。其余关于电路的材料可与学校的物理实验室相结合，有效利用资源。

其他:

值得

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