探索STEM课堂在小学课堂中的运用——
以双闪灯电路3D动画模型制作为例
科学
进行完升旗仪式，孩子抬头看见天上还有月亮，心里十分疑惑，不确定地问我：“老师，天上那是月亮吗？白天还有月亮？”我解释完后，心里不禁想到：啊，这就是科学，无处不在的科学。
科学问题本就源于自然，源于某一现象的问题，如"为什么杯子里的热水会变凉"工程学则源于需要解决的某个难题，例如"怎样让房子更保暖"这两个貌似不相同的问题，其本质却都是热学中能量的传递问题。当教学围绕这个本质展开时，就有了一条隐形的线索，将科学和工程问题有效地结合在一起。STEM的教学并不是简单地将科学与工程组合起来，而是要把学生学习到的零碎的知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。
在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们，尤其是它们之间的关系，就不能独立其中任何一个部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。
本论文旨在通过双闪灯电路的实验仿真、数据处理、设计和制作模型的过程，探索STEM课堂在小学课堂中的运用，为将STEM引入小学课堂提供途径与方法上的借鉴。
一、论文研究背景
二、双闪灯电路
2.1双闪灯电路简介
双闪灯电路是一个自激多谐振荡电路又称为无稳态振荡电路，是经典的互推互挽电路。这种类型的电路在没有外加触发信号的情况下能够连续的、周期性的自动产生矩形脉冲，电路正常运行时的现象为两个发光二极管轮流导通。本文介绍的双闪灯电路是以三极管和电容器为核心元器件的对称的自激多谐振荡电路，由电容器的充电与放电来控制三极管的导通与截止，从而使电路在两个暂态之间自行“振荡”。
2.2电路结构
双闪灯电路如图2-1所示，电路由直流电压源V1、三极管Q1、Q2、电容器C1、C2、红色发光二极管LED1、绿色发光二极管LED2、以及电阻R1、R2构成。
图2-1双闪灯电路原理图
三、双闪灯电路的仿真实现
设计出电路后进行仿真实验，可以很方便快捷地调整元器件的参数，构建双闪灯电路3D动画模型需要得到各节点的电位数据和电压的波形都可以通过操作Multisim得到。
3.1电路参数的估值
在电子电路中，元器件的选取大多数情况下并不是唯一的，即元器件的某一参数的取值只要处于一定范围之内，电路的工作状态就能符合要求。所以本文首先依照双闪灯电路的原理以及欲实现的功能对各元器件的参数进行估值，并以此为依据选取参数合适的器件，使电路能如期正常运行。
假设选取红色发光二极管为LED1，绿色发光二极管为LED2，红色LED亮灯时正向电压1.8V，绿色LED亮灯时正向电压2V，所以设计输出电压V1=3.0V。选取三极管型号2N2222A，放大倍数β为100~300倍，令β=150。如图2-2所示，当三极管Q1工作在导通状态时，直流电压源的电压全部加在LED1两端，两个LED正常工作电流为5mA~20mA，令集电极电流IC为10mA。
Q1的集电极电流IC与基极电流IB的关系为：
β=ICIB(3-1)
则基极电流为：
IB=ICβ=10mA150≈0.067mA(3-2)
则R2取值：
R2=V1IB=3V0.067mA≈44.78kΩ(3-3)
取整十数，选取阻值为50kΩ的电阻为R2。
以上为估值过程，双闪灯电路所需的元器件型号如表3-1所示，这套参数用以建立双闪灯电路，实现电路的基本功能。
表3-1关键帧节点电位
名称
数量
型号
主要参数
LED
1
灯光颜色：红色亮灯电压：1.8V
灯光颜色：绿色亮灯电压：2V
三极管
2
2N2222A
极性：NPN开启电压：0.7V
电阻
阻值：50kΩ
电容
容值：1.0μF
直流电源
电压：3V
3.2电路设计的仿真
1.放置元器件。
依照上述电路参数的估值放置构成双闪灯电路的各个元器件，为了得到双闪灯电路运行时的各节点电位的数据和电压的波形，还需要放置两个示波器。各个元器件间留出合适的距离，以仿真电路图不显拥挤且各元器件显示的名称和参数不被遮挡为宜。
2.连接元器件，将导线分区段并命名，测试电路是否正常运行。
观察双闪灯电路结构，结合双闪灯电路原理图将除示波器外的各个元器件用导线连接起来。用不同颜色标记节点，与同一节点相连的导线用同一种颜色表示。两台示波器分别连接电路中的两个三极管，示波器XSC1、XSC2的A、B点的负极均接地，示波器XSC1的A通道连接三极管Q2的集电极，B通道连接Q1的基极；示波器XSC2的A通道连接三极管Q1的集电极，B通道连接Q2的基极。搭建出来的仿真电路如图3-1所示。
图3-1仿真电路图
仿真电路搭建完成后，利用Multisim的图示仪，收集电路数据。
经多次调试后，XSC1的波形图即表示L、M的波形图如图3-2所示，图中上方波形为L电压，下方波形为M电压。XSC2的波形图即表示K、N的波形图如图3-3，图中上方波形为K电压，下方波形为N电压。
图3-2L、M的仿真波形
图3-3K、N的仿真波形
根据原理的分析，双闪灯电路两个暂态之间存在突变的状态，交替循环变化，所以3D动画以突变前后的状态作为关键帧。接下来继续使用图示仪收集4个状态时各节点的电位数据，为3D动画关键帧的制作提供数据支撑。将收集的数据制成表格，如表3-2所示。
表3-2关键帧节点电位
时刻
节点及电位
K
L
M
N
71.4799ms
1.14V
1.21V
0.75V
0.29V
74.3223ms
1.22V
1.37V
0.70V
0.52V
74.3585ms
1.45V
0.84V
0.17V
0.74V
78.5080ms
1.54V
0.97V
0.68V
四、PowerPoint关键帧电路图的制作
在教学过程中，许多枯燥、抽象、难理解的知识点往往会使用PowerPoint软件将知识点制作成静态的图形或者动态的动画表现出来，合理利用PowerPoint对突出知识重点、激发情感、促进思想、增强保持学习欲望都有一定帮助。
本文使用PowerPoint制作关键帧电路图，用来辅助阐述双闪灯电路工作原理，关键帧电路图同时也有利于3D动画模型的构建，能清晰地知道某关键点时某节点的电位，能简洁直观地表现出双闪灯电路的一个周期的变化过程，如图4-1所示。
图4-1关键帧电路图
图4-1反映了双闪灯电路变化的四个关键帧电路图，并表现出了电路周期变化过程：左上图为第一种暂态，左上图持续3/7周期变成右上图，右上图突变为右下图，右下图为第二种暂态，右下图持续4/7周期变成左下图，左下图突变为左上图，完成一个周期。四个状态各个节点的电位能快速读出，电流的大小、电路的通断一目了然。
五、3D动画模型制作
5.13D动画模型制作的方法
经过前述过程，制作双闪灯电路3D动画模型所需的关键数据已经收集到，可以开始制作以电压为Z轴的带平行光投影效果的3D动画模型。本论文使用的是3dsMax2017年的版本进行3D动画模型制作，制作过程如下。
1.元素建模。该步骤是实现全部双闪灯电路元素模型的建造，用不同的图形表示不同的元器件，并确定全部元素模型的X轴和Y轴的位置，如图5-1~5-5所示。
图5-1长方体对象
图5-2圆柱体对象
图5-3四棱锥对象
图5-4球体对象
图5-5矩形对象
2.场景搭建。场景搭建包括背景构设、摄影机架设和灯光布设。完成场景搭建后，电路模型如图5-6所示。
图5-6场景搭建
3.材质制作。本论文需设置11种材质，分别为导线E、红色LED、绿色LED、导线K、导线L、导线M、导线N、电位差、导线G、背景板以及电流方向。打开材质编辑器，分别选择11个材质球进行设置，设置后将材质分别赋予到相应物体上。
表5-1导线K1的Z轴参数
关键帧
K1的电位
K1的Z轴参数
0
15.2
30
16.3
31
19.3
70
20.5
然后通过改变关键帧的Z轴位置，实现动画效果。
3D动画模型制作完成。在3dsMax软件中，动画模型在0~70帧的范围变化，共71帧。转化为GIF动图后，动图帧数范围为1~71帧，总帧数不变。图5-7中显示的是动图中的第1帧、第31帧的图像，分别表现3D动画模型中第0帧、第30帧的渲染效果。图5-8中显示的是动图中的第32帧和第71帧的图像，表现3D动画模型中第31帧、第70帧的渲染效果。
第1帧第31帧
图5-7动图单帧图像效果1
第32帧第71帧
图5-8动图单帧图像效果2
六、总结语
本文先应用Multisim进行电路仿真实验收集数据，然后使用PPT制作双闪灯电路关键帧电路，最后在前者提供数据支撑的基础上应用3dsMax进行动画设计工作，最终实现了双闪灯电路3D动画模型。
制作完成的3D动画模型还有需要完善的地方，主要为细节的体现。如，部分透明材质的对象的背景为白色，渲染后无法识别出来；摄影机的位置是固定不变的，渲染后，无法仔细从多角度观察电路模型；可以进一步设计在3D动画模型中直观表示三极管是否处于截止状态；可尝试通过调整材质编辑器的参数，使得模型更加美观，更具艺术感。这些问题可以灵活运用到教学中，作为拓展活动进行。