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来源| STEM课程设计与案例编辑|申晴
国外优秀外壳土豆电池
Hi，你好~今天和大家分享的是优秀的海外STEM套餐哦~快来看看~
土豆电池
课程介绍
学生们用土豆照亮了LED时钟(或灯泡)，让他们了解电池是如何通过简单的电路工作的，化学能是如何变成电能的。 他们随着对更多电能的了解，更了解电压、电流和电阻的概念。
相关工程知识
工程师利用电池在各种情况下储存能量。 固体电解质电池最适合在极端天气条件下使用，镍锌电池在电动汽车中效果最好。 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。 设计电池时，工程师会考虑APP的需求，使用不同的物质产生电流。 他们考虑的特性包括电力输出、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。 工程创意的力量很不可思议~
课程基本信息
年级：3-5年级
上课时间： 1小时
团队规模： 3人
学科：科学、数学、工程、物理、化学、艺术
学习目标：
在这个活动之后，学生可以用简单的电路描述电能的流动。 说明为什么灯泡需要点亮一个以上的电池。 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个土豆(新鲜)、3个铜便士)或铜条、每个土豆保证1个)、3个锌钉)这些是镀锌钉，在五金商店可以买到)、5根绝缘电线(长15-20厘米，后视镜前端有鳄鱼夹)
课堂引言
电能是什么？ 你从哪里来？ 工作中需要电能的东西你能想到什么吗？ 灯具，音乐播放器，电视和烤箱怎么样？ 如何才能运行这些设备呢？ 电工在改善生活方面起着什么作用？ 我们可以在家里的墙壁插座上找到电能。 那么，电能怎么到我们家的墙上插座？
这种能量来自电力设备，通常从煤炭和石油等化石燃料的燃烧中获得电能。 燃烧的燃料产生的热能加热水。 水沸腾时变成蒸汽，蒸汽通过管道流入涡轮(带叶片的车轮)。 涡轮从蒸汽中旋转时，发电机(旋转磁铁)旋转，附近原子的电荷失去平衡，产生电流。 电流通过受保护的电线流向我们家。
怎样才能给电器供电？
从电池里。 电池通过向电子提供可以在其中移动的溶液而工作。 你有没有注意到，一些电池的铜端用正极(正极)表示，另一端用负极(负极)表示？ 锌是喜欢向铜提供电子的金属。 通常，锌只是向铜提供其电子，过程停止。 但是，我们可以给电子提供一种叫做电解质的溶液，帮助他们移动到铜线，然后给电子提供线，让铜线从铜线回到锌线上，形成电路和电能的流动路径。 (注意：通常的电流从正极流向负极，因此会从铜线通过导线逆流到锌线上。 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个地方(电压)产生或存储，电荷通过)或电流)通路。 电路的另一部分是电阻，例如灯泡。 电工将创建电路来辅助电能工作，例如照亮房间和保持食物冷却。 电气设备、灯泡或使用电能的大多数设备都是电阻。 电阻防止或减慢电流和电荷的移动。 电流流过电阻源时，会变成光、热或声音。 即使看不见，灯泡和电器也会减慢电荷。
电气工程师帮助开发许多需要电力的现代产品和设备。 电气工程师首先还协助建立用于在发电站产生电能的技术。 这些工程师对电路了解很多，他们继续寻找更好的方法来储存电荷并产生电流，而不使用煤炭和石油等不可再生的化石燃料。 这些电气工程师在我们做的几乎所有事情中都非常重要！ 本质上，电气工程师给社会带来了改善，帮助为子孙后代拯救了地球。
今天，我们将成为电工，了解更多关于电能如何在电路中运行的信息。 我们也会考虑从土豆里储存的能量中产生电流！ 你觉得用土豆点灯泡可以吗？ 一起试试吧！
课程知识背景
土豆电池是如何工作的？
铜原子比锌原子更能吸引电子。 铜带和锌带接触时，会有很多电子从锌传递到铜。 当它们集中在铜上时，电子相互排斥。 当电子间的斥力和电子对铜的引力相等时，电子的流动停止。 很遗憾，利用这种行为发电是不可能的。 因为电荷的流动几乎马上就停止了。 另一方面，将两条线浸入导电性溶液中，用导线将它们连接起来，通过电极和溶液的反应，电路不断充电。 这样，产生电能的过程就会继续下去，变得有用。
在导电性溶液中，电荷由通过溶液的离子携带。 在固体中，离子不能自由移动。 但是，如果溶解在水中，就会完全移动。 因为可以在水中“游泳”，所以可以对来自电池的电流做出反应。 供给电子，使正离子向一个方向流动，负离子向相反方向流动。 离子从一个电极向另一个电极输送电荷，完成了电路。
导电性溶液可以使用酸、碱、盐中的任一种电解质。 电解质是水溶液中含有各种离子，从而通电的物质。 因此，溶液中自由离子越多，导体越好。 许多水果和蔬菜都含有富含离子的汁液，所以是好导体。 和任何电池一样，土豆电池的寿命有限。 电极会发生阻止电流流动的化学反应。 电动势减少，电池停止工作。 通常，铜电极产生氢，锌电极得到氧化物的沉积，成为金属和电解质之间的屏障。 这叫做极化电极。 为了得到更长的寿命和更高的电压和电流流量，需要使用更适合这个目的的电解质。 商用电池除了普通的电解质外，还含有与氢有亲和性的化学物质，这些化学物质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，在活动开始前了解课程背景，收集材料完成《电池作业学习单》，团队合作利用土豆发电点亮LED灯。
课程步骤
1 .将班级分成两个或三个学生的团队。 分发资料。
2 .指导小组小心翼翼地把锌指甲和铜便士放进土豆里。 避免土豆中的两种金属相互接触(参见图1 )。
3 .将鳄鱼夹连接到从土豆伸出的便士前端，将鳄鱼夹连接到钉子前端，然后从土豆伸出(参见图1 )。
4 .万用表是测量电路电流、电压和电阻的仪器，告诉学生这是工程师常用的工具。 将万用表设置为低电压“直流电压”和电流“直流毫安”，以便学生可以看到土豆产生的电荷。 土豆产量预计不到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=82/100伏)。
5 .向学生透露点亮土豆所需的LED时钟(或时钟)数量。 例如，如果土豆产生0.8伏的电压，则可能需要两个土豆来提供1.5伏的电压。
6 .试图让学生弄清楚如何把两个土豆连接起来。 要串联两个土豆并提高电压，请将一分钱和钉子放入第二个土豆中，然后连接第一个土豆的锌钉和第二个土豆的铜线。 然后，把第三根线放进第二个土豆锌钉里。 请不要忘记将土豆(电池)的铜(正极)端连接到下一个土豆的锌(负极)端(参见图2 )。
7 .预计两个串联的土豆可以点亮LED。 但是，你可能需要三个。 向学生展示如何正确地将LED连接到土豆，即将LED的正极端连接到土豆电池的负极(锌钉)，将LED的负极端连接到土豆的正极端。 电池(铜便士)。
8 .让学生讨论土豆如何向化学电池提供电解质(溶液)。 我们可以试试。问问其他食物的建议吧。 柠檬、浆果、苹果等。
9 .要求学生单独或成对完成工作表。 完成后，与伙伴和其他一对比较答案，让所有学生都有时间完成。
相关术语
导体：允许电子移动的物体。 电流：电子的运动。 电能：由电子的运动产生的能量(电压x电流)。 电解质：导电的溶液。 能量：工作的能力。 绝缘体：阻止电子移动的物体。 电阻：防止稳定电流流动的物体或物质。 电压：产生的能量。 电池动作学习表
1 .在下面的空间里画土豆电池的安装图。 标记土豆、电线、灯泡的零件。 画箭头表示电流的方向。
2 .土豆如何帮助电路工作？
土豆支持电子，从铜移动到锌完成整个电路。
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，才能在功耗技术中通过正确的电阻。
评价
事件前评估
头脑风暴：进行小组讨论，让学生参与公开讨论。 提醒他们，没有任何想法和建议是“愚蠢的”。 所有意见都应该被尊重地听取。 采取不批评的立场，鼓励大胆的想法，不鼓励对想法的批评。 询问学生们能想到多少用电池驱动的东西，并将他们的想法写在黑板上。
快速投票：活动开始前，可以向全班提出问题，从水果和蔬菜中获得电力吗？ 把他们的答案写在黑板上。
事件嵌入式评估
学习单核对检查：让学生单独或两人一组做电池练习单。 他们结束后，让一个同学或另一个同学比较答案，给所有学生时间完成作业。
假设问题：如果电路里继续放很多土豆，会发生什么？ (回答：多放一排土豆和多放一排电池是一样的。 把每个土豆的电压相加。 这样会增加电路的电压。 另一方面，我们电路的电流不会增加。 电流与土豆的数量无关，与每个土豆的大小有关。 ）
活动后评估
问题解决：向学生展示以下数学问题，让学生计算各种蔬菜和水果点亮灯泡需要多少。
如果一个柠檬能产生1伏的能量，点亮2伏的灯泡需要多少柠檬(回答：2)如果一个土豆能产生0.8伏的能量， 一个土豆点亮1.5伏灯泡需要几个土豆)回答：2)如果一个土豆产生0.8伏的能量，一个土豆点亮3伏的数字钟需要几个柠檬)回答：4)柠檬一伏画一张你土豆电池的照片。 电池(电压)和电阻(灯)标记。 画箭头表示电流(从铜端到锌端)。 列举了两个工程师可以开发的在水果电池中工作的酷产品。
故障诊断提示
如果LED时钟、灯或小灯泡不工作，请检查土豆电池的设置。 所有的端子可能没有从负极连接到正极，或者土豆的电压可能不够。 请用万用表或电压表检查土豆的电压。 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。 因此，建议仅使用极低电压的LED时钟或灯泡。 另外，为了提高电导率，试着使用更多的土豆，也就是五个半土豆。 尝试各种LED的颜色。 例如，蓝色LED可能比红色更有效。 尝试各种水果电池，柠檬和橙子也很适合这个活动。 先放在桌子上滚，效果最好。 这样，就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钱更容易通电。 把土豆泡在佳得乐(饮料)里过夜，容易通电。 开展活动
活动结束前，在学生们取下土豆电池前，给全班同学接上水果电池，做一个“认真的土豆圈”很有趣。 让学生用不同的水果和蔬菜重试这个活动。 柠檬、酸橙、苹果、胡萝卜等，很多水果和蔬菜都很好。 让学生比较水果和蔬菜的表现。 让学生再次使用盐水或醋等电解质溶液完成活动，比较不同电解质溶液的性能。 增加一个数学部分，用万用表比较几种不同的水果电流和水果总用量。 让他们画出结果的图表，假设发生了什么。 让更高级的学生用不同数量的土豆进行平行和串联配置的实验。 个案研究
教程主题：
本课程以土豆电池为主题，以生活中常见的食物为能量点亮LED灯，了解电池的原理、简单的电路如何工作、化学能如何转化为电能，以及电压、电流、电阻等
教程：
此案例为典型的STEM课程，与相关跨学科知识相关。 物理(电路图、电能、电压、电流及测试仪的使用等)、化学能转化为电能的反应、电池的工作原理及导电溶液的选择等)、工序)完成电路图的连接，满足电池的工程设计、应用需求，改进测试) 科学(多种能源发电、储能)、艺术(水果电池设计与制图)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。
教法：
教师以小组合作的形式组织开展教育活动。 在活动开始之前，从生活中常见的问题出发，引入电工，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下来，发挥学生的创造性。 活动中教师设计电池工作学习单，引导学生理解电池原理和设计电路的重要性。 完成学习单后，学生互相了解，促进同伴的沟通和交流。 教师提出的假设可以引导学生在活动中进行验证，进而在活动完成后进行问题解决和评估。 此外，教师还提供故障排除提示，帮助学生自行检查电路并反思，最终给出解决方案。
教材：
在这个案例的教材中土豆在生活中比较常见，容易购买。 其余电路相关材料与学校物理实验室相结合，能有效利用资源。
其他：
值得注意的是这一案例下的拓展活动，可以与各学科合作，提高各种STEM教育活动的可能性。
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