陳旭燕 程敏熙

關(guān)鍵詞：STEM教育：自組裝實(shí)驗(yàn)：光纖通信：探究式教學(xué)

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)貼近生產(chǎn)和生活的情境，通過融入科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)W科交叉的知識，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會融合和運(yùn)用知識，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力以及動手操作的實(shí)踐能力。在教學(xué)中融人STEM教育，可改進(jìn)傳統(tǒng)探究性教學(xué)流于形式的模式，引導(dǎo)學(xué)生主動尋找現(xiàn)實(shí)生活中問題的解決辦法，提升應(yīng)用的能力，構(gòu)建學(xué)生白身的知識體系，實(shí)現(xiàn)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

利用白組裝探究式實(shí)驗(yàn)儀來開展教學(xué)能夠?qū)⒉煌S度的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行充分融合，落實(shí)物理核心素養(yǎng)，提高高中物理教學(xué)質(zhì)量。因此，本文介紹白組裝“光纖通信”演示儀的原理及作用，并基于工程問題開展探究式教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)而闡述STEM教育理念與之相結(jié)合的具體體現(xiàn)。

1自組裝“光纖通信”可視化實(shí)驗(yàn)裝置介紹

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

光導(dǎo)纖維指使光以波導(dǎo)方式進(jìn)行傳輸?shù)睦w維狀光學(xué)介質(zhì)材料，簡稱光纖。光纖通信技術(shù)是光導(dǎo)纖維通信的簡稱，指利用以光波為載頻、光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的一種通信方式。華裔物理學(xué)家高錕于1966年第一個提出用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，成功實(shí)現(xiàn)利用光進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。光纖通信的光纜連接了世界的各個角落，影響著人們生活的方方面面，隨著時(shí)間的推進(jìn)我國光纖通信技術(shù)取得了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，在我國的通信領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的位置。同時(shí)，“光纖通信”實(shí)驗(yàn)也是STEM課程的內(nèi)容之一。

但光纖傳輸?shù)倪^程往往是以描述性方式進(jìn)行介紹的，學(xué)生無法直接用眼睛觀測到，教材中也僅僅是通過語言來簡單描述光纖通信的原理。物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是建立在物理現(xiàn)象、物理事實(shí)、物理過程的感知基礎(chǔ)上，語言描述不能替代對現(xiàn)象和事實(shí)的直接感知，學(xué)生會覺得抽象、晦澀難懂。由阿恩海姆的視覺思維理論可知，在教學(xué)中如果充分利用可視化的工具和資源來刺激學(xué)生的大腦，調(diào)動視覺思維，加強(qiáng)直觀教學(xué).增加學(xué)生的感知，能使學(xué)生對知識有一個更好的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，體現(xiàn)了物理教學(xué)的直觀性原則。

本文基于實(shí)驗(yàn)教具可視化的原則，讓學(xué)生白己組裝和制作“光纖通信”演示儀，進(jìn)行儀器的搭建組合、制作加工，增加演示實(shí)驗(yàn)過程的可操作性，將“看不見”的光信號傳輸轉(zhuǎn)化為全程可視化的聲音信號和圖像信號，有效突破“光在光纖中如何攜帶信息進(jìn)行傳遞”的教學(xué)難點(diǎn)，真正讓學(xué)生深入理解光纖通信的實(shí)質(zhì)，拉近學(xué)生與生活、科技之間的距離。

1.2光導(dǎo)纖維傳輸光束的原理

實(shí)驗(yàn)中激光的傳導(dǎo)媒介為光導(dǎo)纖維，光導(dǎo)纖維由折射率較大（ni）的纖芯、折射率較?。╪2）的包層和涂覆層三部分組成。當(dāng)光束以一定入射角i射人光纖界面時(shí)，在介質(zhì)分界面上會發(fā)生折射，當(dāng)入射角i增大到某一角度i：時(shí)，折射角等于90。，折射光線消失，入射光線不再進(jìn)入包層介質(zhì)，發(fā)生全反射，此時(shí)的入射角：稱為臨界角。當(dāng)i繼續(xù)增大時(shí)，仍發(fā)生全反射，故光在光導(dǎo)纖維中沿光纖的軸向前傳播，不從周圍射出，達(dá)到傳輸光束的目的，如圖1所示。

1.3“光纖通信”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

“光纖通信”實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由三部分組成，分別為用于調(diào)制信號光源的發(fā)射端、傳導(dǎo)媒介和調(diào)解信號光波的接收端。激光發(fā)射端將MP3、手機(jī)等媒體設(shè)備音頻輸出產(chǎn)生的電信號經(jīng)調(diào)制后驅(qū)動LED調(diào)制電路，產(chǎn)生攜帶音頻信號的紅激光：傳導(dǎo)媒介用于傳導(dǎo)LED發(fā)射出的紅激光，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的傳導(dǎo)媒介為光導(dǎo)纖維;激光接收端是經(jīng)光信號調(diào)解電路和功率放大電路將LED發(fā)出的紅激光中攜帶的音頻信號分離，還原成聲音，最后經(jīng)過解調(diào)后將音頻信號放大，驅(qū)動揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲音，以實(shí)現(xiàn)聲音還原，完成信號的傳輸。原理框圖如圖2所示。

1.3.1發(fā)射模塊

圖3為激光發(fā)射模塊，Mic（駐極體話筒或音頻輸入接口）傳人的信號經(jīng)過前置放大電路經(jīng)三極管Q1放大電流電壓后，將聲信號調(diào)制到電路中形成電信號，再經(jīng)過后置放大電路經(jīng)三極管Q2（S8050）放大電流驅(qū)動LED激光發(fā)送器，發(fā)出攜帶聲電信號的激光，完成音頻信號向光信號的轉(zhuǎn)換過程。

1.3.2接收模塊

圖4為激光接收模塊，為使接收模塊能夠?qū)⒓す鈹y帶的聲電信號進(jìn)行解調(diào)、放大和實(shí)現(xiàn)較高保真性的還原，本實(shí)驗(yàn)接收模塊采用的是光敏二極管接收管D2.用于接收激光發(fā)射器攜帶著聲電信息的光信號，當(dāng)被音頻信號調(diào)制的激光照射到D2時(shí)，在其兩端產(chǎn)生一個隨音頻信號變化的電信號，并通過音頻放大芯片LM386，音頻被放大輸出信號，放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)由芯片1、8腳之間的電容C2來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，實(shí)現(xiàn)激光中攜帶的聲音信號還原成聲音的過程。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作與安裝調(diào)試

2.1材料準(zhǔn)備

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)可視化的功能，“光纖通信”演示儀所需要的材料有：手機(jī)（或MP3）、音箱、光導(dǎo)纖維、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、9V電池、音頻數(shù)據(jù)線、水平直線移動支架等。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需要的主要電子元件材料及參量如表1所示，將電子元件與圖3和圖4電路圖對應(yīng)，在電路板上進(jìn)行焊接，完成發(fā)射模塊和接收模塊的制作。

2.2組裝儀器與基于STEM教育模式的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

2.2.1組裝儀器

按電路圖將電子元件連接在PCB電路板上，組裝后接上9V的電池進(jìn)行檢測，檢測發(fā)射模塊和接收模塊能否正常工作;輸入音頻信號后檢測發(fā)射模塊輸出端LED能否正常發(fā)光，排除在電子元件組裝過程中存在的接觸不良、元件損壞等故障問題。

2.2.2基于STEM教育模式的“光纖通信”探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）演示現(xiàn)象，提出工程問題

演示現(xiàn)象：聲信號是現(xiàn)代通信中一種重要信號，但只有光能夠在光導(dǎo)纖維中傳播，想要利用光導(dǎo)纖維達(dá)到傳聲的效果，則需要有能夠?qū)⒙曅盘栟D(zhuǎn)化為光信號的轉(zhuǎn)換裝置。而電信號是聲光轉(zhuǎn)換的中介，可以將手機(jī)聲音中的電信號經(jīng)過激光發(fā)射儀轉(zhuǎn)換為光信號，光信號攜帶著聲音信息進(jìn)行傳遞，經(jīng)過激光接收儀轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而從音箱中播放出聲音，示意圖如圖5所示。

教師連接實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行演示：手機(jī)和激光發(fā)射儀相連，音箱和激光接收儀相連，打開手機(jī)播放器、激光發(fā)射儀和音箱的開關(guān)等，在光傳輸?shù)倪^程中沒有任何數(shù)據(jù)線相連，卻能夠播放出歌曲來。

提出工程問題：演示實(shí)驗(yàn)中能夠確保激光沿直線傳播，使激光接收儀順利接收到光信號?？墒窃诂F(xiàn)實(shí)生活中，光傳播的過程中容易受到建筑物的阻擋、天氣和其他電磁的干擾等，使得聲信號的接收受到了阻礙。如果你是工程師，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來消除這種不利因素的影響呢？

（2）提出猜想，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

提出猜想（在教學(xué)過程中分組進(jìn)行猜想和設(shè)計(jì)方案）：

小組1：如果我是丁程師，我們會考慮讓光繞過障礙物來改變光路方向，以前學(xué)過光經(jīng)過平面鏡能夠發(fā)生反射，所以此時(shí)可以讓激光反射后進(jìn)人接收儀，就能解決了。如圖6所示。

小組2：發(fā)生反射雖然也能夠改變光路的方向，可是需要調(diào)整好各個角度才能滿足條件，實(shí)際操作起來非常不方便。我們想到了更好的辦法，激光在光導(dǎo)纖維中會發(fā)生全反射，直接繞過障礙物，光便會從一端按指定方向傳到另一端，并且不會發(fā)生泄漏，就能讓聲音重新播放了，如圖7、圖8所示。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：教師邀請兩組學(xué)生上臺對猜想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生利用平面鏡、光導(dǎo)纖維進(jìn)行操作，當(dāng)平面鏡調(diào)整好角度、光導(dǎo)纖維分別對準(zhǔn)發(fā)射端和接收端后，都能聽到聲音重新播放，但從實(shí)驗(yàn)操作的便捷性、穩(wěn)定性來看，小組2的實(shí)驗(yàn)方案更佳。

（3）類比遷移，學(xué)以致用

提出工程問題：在現(xiàn)實(shí)生活中，信號的傳遞不僅會受到障礙物的影響，而且往往需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，但是信號就會發(fā)生衰減。在實(shí)際過程中應(yīng)該如何解決這個問題呢？調(diào)整激光發(fā)射模塊和激光接收模塊所在支架之間的距離，使距離越來越遠(yuǎn)時(shí)（模擬現(xiàn)實(shí)生活中遠(yuǎn)距離傳輸信號中信號衰減的過程），仔細(xì)辨認(rèn)聲音大小的變化，可以聽到音樂聲隨著距離的增加變得越來越小。

學(xué)以致用：學(xué)生聽到聲音信號減弱。利用前面的光導(dǎo)纖維就能夠防止信號發(fā)生泄漏。如果在遠(yuǎn)距離傳輸過程中，采用一根更長的光導(dǎo)纖維進(jìn)行連接，聲音就不會隨著距離發(fā)生變化了。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用更長的光導(dǎo)纖維確實(shí)能夠使音量恢復(fù)到原來的大小，如圖9、圖10所示。

（4）拓展提升，制作模型

拓展提升：光纖通信能夠傳輸載有聲音、圖像以及各種數(shù)字信號的光，實(shí)現(xiàn)了聲音信號的傳輸，能否利用光導(dǎo)纖維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來傳輸圖像呢？學(xué)生動腦設(shè)計(jì)方案，圖像的傳輸需要點(diǎn)與點(diǎn)之間一一對應(yīng)，如果將光導(dǎo)纖維聚集成束，制成光纖橋即光纜，并且相對位置保持一致，就能夠傳輸圖像了。

制作模型：學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)材料（光導(dǎo)纖維、膠水、剪刀、帶孔板、心形LED燈等）分組進(jìn)行制作，移動心形LED燈，就可以在光纖橋的另一端觀察到同樣的心形圖像，多媒體動畫模擬如圖11所示，實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖12所示。

3STEM教育理念的體現(xiàn)

陶行知先生說過：“先生的責(zé)任不在教，而在教學(xué)，而在教學(xué)生學(xué)?！痹鯓硬拍苡行У匾龑?dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)物理問題，并能通過對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析、推理、歸納從而獲得相應(yīng)的知識呢？白組裝實(shí)驗(yàn)演示儀能融合STEM教育的不同教學(xué)目標(biāo)，通過設(shè)置富有情境的探究任務(wù)，讓學(xué)生明確教學(xué)目標(biāo)，在問題的生成、解決、再生成的過程中制作“光纖通信”演示儀，真正實(shí)現(xiàn)探究式教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中STEM教育理念得以充分展示。

首先是科學(xué)（S）：在實(shí)驗(yàn)演示儀的設(shè)計(jì)中，以一種重要的光纖技術(shù)——光纖通信的電路作為實(shí)驗(yàn)主體部分，以傳導(dǎo)媒介——光導(dǎo)纖維作為實(shí)驗(yàn)輔助部分，通過可視化的思想和形式將光在光導(dǎo)纖維中發(fā)生全反射的過程呈現(xiàn)在學(xué)生面前。在實(shí)驗(yàn)演示儀演示的過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何讓光方便地繞過障礙物又能做到信號不衰減的問題，讓學(xué)生知道光纖的工作原理和光纖通信的丁作過程，通過此方式既能讓學(xué)生更好地理解光的全反射現(xiàn)象以及產(chǎn)生的條件，強(qiáng)化了科學(xué)基礎(chǔ)（S），同時(shí)又能讓學(xué)生運(yùn)用知識去解決實(shí)際的物理問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

其次是技術(shù)（T）：物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，工程問題離不開動手操作，在此實(shí)驗(yàn)儀制作的過程中，要求學(xué)生能夠理解實(shí)驗(yàn)電路的原理圖，能夠獨(dú)立地將發(fā)射模塊和接收模塊裝上支架，連接好各個部分的儀器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。對于動手能力較強(qiáng)的學(xué)生，教師可以指導(dǎo)他們按照電路圖焊接元件，完成發(fā)射模塊和接收模塊的制作。同時(shí)，除了利用光纖來傳輸聲音外，還應(yīng)更全面地發(fā)揮其應(yīng)用的廣泛性，通過制作光纖橋來傳輸圖像。讓學(xué)生在親白動手操作和分組實(shí)驗(yàn)的過程中，將自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案通過模型得以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，提升了技術(shù)（T）的能力，從而更好地體驗(yàn)STEM教育模式的樂趣，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并通過獨(dú)立思考解決問題的科學(xué)態(tài)度，逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維模式。

然后是工程（E）：教學(xué)越來越重視科學(xué)知識與實(shí)際生產(chǎn)生活和時(shí)代發(fā)展相結(jié)合，本實(shí)驗(yàn)演示儀模擬了現(xiàn)實(shí)生活中光纖通信技術(shù)的過程。讓學(xué)生分組進(jìn)行大膽猜想，教師適時(shí)給予指導(dǎo)，引導(dǎo)探究方向。學(xué)生提出想法后，教師不會馬上介入，而是讓學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)而分析利弊，最終得出最佳方案，同時(shí)也經(jīng)歷了科學(xué)探究的過程。在這個過程中，通過問題串的方式引導(dǎo)學(xué)生從工程師的角度換位思考：如果我是工程師，該如何設(shè)計(jì)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)演示儀呢？逐步將學(xué)生引導(dǎo)至光纖通信這一工程問題（E）的思考角度，找到解決問題的方案，讓學(xué)生體會物理知識與現(xiàn)代工程技術(shù)的密切結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和社會責(zé)任感。

最后是數(shù)學(xué)（M）：

江蘇省2020年的一道高考題：我國的光纖通信技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。光纖內(nèi)芯（內(nèi)層玻璃）的折射率比外套（外層玻璃）的____（選填“大”或“小”）。某種光纖的內(nèi)芯在空氣中全反射的臨界角為43。，則該內(nèi)芯的折射率為____。

由這道題可以看出，題目考查了光的全反射的計(jì)算公式，并要求對光纖通信技術(shù)要有基本的了解，而利用本文設(shè)計(jì)的“光纖通信”演示儀能夠引導(dǎo)學(xué)生通過對光導(dǎo)纖維發(fā)生全反射的臨界角進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算以及畫全反射的光路圖來定量分析光導(dǎo)纖維的工作原理，強(qiáng)化了學(xué)生的定量計(jì)算能力和作圖能力（M），進(jìn)而能夠順利解決此類高考題。不僅讓學(xué)生能夠更深入地理解光發(fā)生全反射的現(xiàn)象和產(chǎn)生的條件，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)儀介紹光纖通信技術(shù)的原理與應(yīng)用，還能讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，拓寬學(xué)生的視野。

4實(shí)用效果與總結(jié)

在利用“光纖通信”演示儀進(jìn)行STEM教育模式的探究過程中，在原有科學(xué)知識為核心的基礎(chǔ)上，注重?cái)?shù)學(xué)工具的應(yīng)用，并結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)和前沿科技發(fā)展動態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生將物理與科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)等學(xué)科進(jìn)行深度整合，設(shè)計(jì)了STEM課堂教學(xué)常用的四個模塊，流程如圖13所示。

以光導(dǎo)纖維作為導(dǎo)光載體，借助激光發(fā)出的可見光傳遞聲電信號以及傳輸圖像，清晰地展示了光纖通信中光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)過程和利用光攜帶聲音、圖像信息傳輸?shù)目梢暬p重過程，彌補(bǔ)了當(dāng)前物理教學(xué)中存在的不足，通過實(shí)驗(yàn)演示儀能讓學(xué)生更直觀、形象、深入地研究光纖通信的實(shí)質(zhì)。而光導(dǎo)纖維還有很多應(yīng)用，例如內(nèi)窺鏡，有輸送光線、傳導(dǎo)圖像的本領(lǐng)：同時(shí)還可以與敏感元件組合或利用本身的特性做成各種傳感器，測量壓力、流量、溫度、位移、光澤和顏色等，在能量傳輸和信息傳輸方面也獲得廣泛的應(yīng)用。教師也可以對其進(jìn)行課外拓展。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取的材料（例如手機(jī)、MP3等）來源于學(xué)生熟悉的生活，取材簡便，同時(shí)元件材料的成本低廉，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下完成STEM實(shí)踐課題，從物理核心素養(yǎng)的視角進(jìn)行STEM課程的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，注重學(xué)生的自主性，將STEM教育理念與白組裝探究式“光纖通信”演示儀進(jìn)行深度融合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，從科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)4個方面有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神和動手實(shí)踐的綜合能力。