■ 西南大學(xué)科學(xué)教育研究中心 西南大學(xué)教師教育學(xué)院 邱雨茜

0 引言

在新課程改革的背景下,STEM教育理念將與中學(xué)物理教育不斷融合。STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱,它幾乎包括了科學(xué)、技術(shù)工程和數(shù)學(xué)的所有相關(guān)領(lǐng)域,甚至可以包含藝術(shù)等領(lǐng)域。從應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的視角來看,STEM教育理念可以使得不同學(xué)科間的聯(lián)系增強(qiáng),物理學(xué)科與化學(xué)、數(shù)學(xué)學(xué)科聯(lián)系較多,而與英語、政治等學(xué)科聯(lián)系不多,STEM正好可以融合各學(xué)科的優(yōu)勢,使物理課堂更加有效;在教學(xué)方式上提倡學(xué)生積極思考,有創(chuàng)新精神,熱愛物理。

本文探索STEM教育與中學(xué)物理課堂的結(jié)合。同時(shí),本研究選擇筆者教學(xué)過程中參與的STEM項(xiàng)目“魔力噴泉”“水火箭”“檸檬電池”三節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行分析與描述。

1 STEM的理論依據(jù)

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)四門學(xué)科首字母的縮寫,科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的有機(jī)整合組成了STEM教育?？茖W(xué)是由實(shí)踐檢驗(yàn)并無限趨近真理的方法。技術(shù)就是關(guān)于勞動(dòng)工具的規(guī)則體系,其目的在于提高勞動(dòng)工具的效率性、目的性與持久性。工程是科學(xué)和數(shù)學(xué)的某種應(yīng)用,它以最短的時(shí)間和精而少的人力做出高效、可靠且對(duì)人類有用的東西。數(shù)學(xué)是研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化、空間以及信息等概念的一門學(xué)科。本文將STEM教育的概念做如下界定:STEM教育是一種關(guān)注不同學(xué)科的融合的創(chuàng)新教育理念,它以真實(shí)的案例為情景,以工程或者項(xiàng)目為媒介,促使學(xué)生提高核心素養(yǎng),重視學(xué)生實(shí)踐探究能力的提高。

2 案例分析

2.1 魔力噴泉

該項(xiàng)目是關(guān)于流速與壓強(qiáng),主要探究解決“為什么鯨魚呼氣時(shí)會(huì)形成噴泉”的趣味問題,與顯示生活聯(lián)系緊密,在通過學(xué)生學(xué)習(xí)了壓強(qiáng)有關(guān)知識(shí)后,注重引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去分析解釋生活生產(chǎn)中的現(xiàn)象。瓶和吸管等都是學(xué)生日常生活中接觸很多的的物品,旨在通過日常生活最常見的材料引導(dǎo)學(xué)生探究流速與壓強(qiáng)方面的知識(shí)。充分體現(xiàn)了新的課程標(biāo)準(zhǔn)“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”這一發(fā)展理念,有科學(xué)探究與動(dòng)手制作活動(dòng),體現(xiàn)了新課程標(biāo)準(zhǔn)“注重科學(xué)探究,提倡教學(xué)方式多樣化”的主要特點(diǎn),下面是實(shí)施的具體步驟。

2.1.1 問題的提出

(1)教師提問:為什么鯨魚呼氣時(shí)會(huì)形成噴泉?分小組討論,討論后每組派代表回答各組假設(shè)。教師簡要分析,不給出最終答案。(2)教師展示:將瓶蓋用電鉆鉆出一個(gè)洞后,在礦泉水瓶中裝滿水。蓋好瓶蓋,倒置,僅有幾滴水流出。多次展示讓學(xué)生觀察現(xiàn)象,提出自己的猜想。教師在黑板上進(jìn)行受力分析,引導(dǎo)學(xué)生在理論上得到結(jié)論。(3)提問:人是怎么喝水的?請(qǐng)學(xué)生自己嘗試喝水的動(dòng)作。

2.1.2 教具的制作

(1)向?qū)W生展示教具,請(qǐng)學(xué)生猜測噴泉產(chǎn)生的原理。(2)介紹實(shí)驗(yàn)器材與工具,講解用具使用方法,強(qiáng)調(diào)安全性。其中器材包括兩個(gè)透明的礦泉水瓶、兩根吸管。工具有電鉆、電烙鐵、熱熔膠。(3)講解制作過程,強(qiáng)調(diào)制作順序。預(yù)熱熱熔槍,5m in后將兩個(gè)瓶蓋面對(duì)面粘在一起,確保密封到位;用電鉆在瓶蓋內(nèi)圈鉆兩個(gè)可以插入吸管的小孔;插入兩根吸管,并將吸管減到合適長度;用熱熔膠將吸管根部密封;分別在兩根吸管根部用電烙鐵燙個(gè)小孔;在一個(gè)礦泉水瓶中裝滿水,檢測是否制作成功。

2.1.3 教師總結(jié)

解答為什么鯨魚呼氣時(shí)會(huì)噴水?原因是噴出的氣體由于流速產(chǎn)生低壓區(qū),大氣壓將附著于鯨魚身體表面的液體“壓”向噴出氣體的區(qū)域,形成了噴水景象。

2.2 水火箭

水火箭是一個(gè)利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計(jì)的玩具,同時(shí)是物理教學(xué)中著名的案例之一,可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于物理學(xué)習(xí)的興趣,而其中蘊(yùn)含的物理原理是了解物理中力學(xué)的重要的基礎(chǔ)。

在中學(xué)物理中可以應(yīng)用,具體操作步驟如下:(1)取一個(gè)雪碧瓶,用美工刀、剪刀沿圍繞瓶底的痕跡下3mm左右處剪下瓶底;(2)利用AB膠,將兩個(gè)瓶子底部對(duì)底部垂直對(duì)接;AB膠凝固后,利用電工膠布纏繞接口處3～5圈使其固定;(3)撕下沒有底部的瓶子的標(biāo)簽,將其剪成正好圍繞瓶身一周,進(jìn)行三等分;(4)利用馬克筆畫出另一個(gè)瓶子的上下邊沿,撕下標(biāo)簽;(5)在底部完好的瓶子的瓶身上畫三等分線;(6)在釣魚竿包裝盒上剪下3片邊長為5cm的塑料片,同時(shí)注意留1cm的邊緣;加工成上底3cm下底5cm的梯形形狀作為機(jī)翼;(7)對(duì)邊緣進(jìn)行處理,使機(jī)翼穩(wěn)定:沿中間剪開1cm,向兩側(cè)撥開;(8)利用雙面膠將機(jī)翼分別粘在三等分線上,后用電工膠布對(duì)左右邊緣和上下邊緣進(jìn)行鞏固粘貼;(9)利用提前準(zhǔn)備好的發(fā)射臺(tái),自行選定裝水量和氣壓進(jìn)行發(fā)射。

在課后,可以讓同學(xué)們回顧制作過程,思考哪些原因會(huì)導(dǎo)致水火箭的飛行高度?討論并總結(jié)影響因素。

2.3 檸檬電池

教師要先講解相關(guān)的原理,檸檬電池里面的兩種金屬片的電化學(xué)活性是不一樣的,其中更活潑的那邊的金屬片能置換出水果中的酸性物質(zhì)的氫離子,由于產(chǎn)生了正電荷,整個(gè)系統(tǒng)需要保持穩(wěn)定。

在中學(xué)物理中也可以應(yīng)用,首先準(zhǔn)備制作材料,包括(1)導(dǎo)線若干;(2)0.2mm銅片一片,0.2mm鋅片一片,0.2mm鎂片一片;(3)檸檬四到六只,水果刀一把,剪刀一把,LED燈珠三顆,化妝棉若干,磨砂紙一片,萬用表一個(gè),水杯一個(gè)。

其次,具體操作步驟如下:(1)取一個(gè)檸檬,用水果刀沿檸檬表面切下外皮;(2)擠壓檸檬,使檸檬變得軟且出水,將銅片與鋅片同時(shí)插入檸檬中,用萬能表測出檸檬的輸出電壓與輸出電流;(3)繼續(xù)實(shí)驗(yàn),找到能降低檸檬內(nèi)阻的方案,比如增大接觸面積,增加插入的深度,繼續(xù)碾壓檸檬;(4)將檸檬用擠壓器榨汁,用杯子裝好,并且將鋅片換成鎂片,之后將銅片與鋅片同時(shí)插入檸檬中,用萬能表測出檸檬的輸出電壓與輸出電流;(5)縮短鎂片與銅片的距離,將鎂片用化妝棉包裹起來,之后用銅絲將鎂片纏繞起來,最后將鎂片與銅絲浸入檸檬汁中,用萬能表測出檸檬的輸出電壓與輸出電流;(6)進(jìn)行檢驗(yàn),用小燈珠串聯(lián)在檸檬電池上,點(diǎn)亮小燈珠。

在課后,可以讓同學(xué)們回顧制作過程,思考哪些原因會(huì)影響檸檬電池的發(fā)電效果,討論并總結(jié)影響因素。

3 實(shí)施建議

3.1 關(guān)注真實(shí)情景

真實(shí)情景在STEM教學(xué)中非常重要,可以說是判斷這堂課能否合格的標(biāo)準(zhǔn),真實(shí)情景對(duì)于學(xué)生來說,首先能幫助他們更快地進(jìn)入物理課堂,還能激發(fā)學(xué)生的情感,吸引學(xué)生的注意力、興趣,愿意投入學(xué)習(xí),即在這個(gè)特定的情境下進(jìn)行體驗(yàn)學(xué)習(xí)。其次是具體的情境有助于學(xué)生理解物理概念。例如當(dāng)老師提問同學(xué)們是怎么通過吸管喝到水的時(shí)候,在同學(xué)頭腦中就會(huì)構(gòu)成一幅生動(dòng)的畫面,幫助學(xué)生理解物理知識(shí)。再次是在具體的情境中進(jìn)行討論,讓學(xué)生“有話可說”,且“學(xué)以致用”。

3.2 培養(yǎng)探究意識(shí)

問題是驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行思考的關(guān)鍵,這就需要教師設(shè)計(jì)相關(guān)的問題,形成問題串。首先,教師可以臺(tái)階式設(shè)計(jì)問題,以問題驅(qū)動(dòng)整堂課的進(jìn)行。一節(jié)課效率高,就是教師設(shè)計(jì)問題,任務(wù)驅(qū)動(dòng),鋪好臺(tái)階,學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)口、動(dòng)筆,一個(gè)個(gè)解決掉教師拋出的問題。其次,啟發(fā)學(xué)生解決問題,學(xué)生是主體每個(gè)教師都要控制自己的語言,盡量不說“聽老師講”“老師還有一種方法”,自己想講的內(nèi)容,啟發(fā)誘導(dǎo)學(xué)生講出來,才是高水平老師。

3.3 工程實(shí)施與評(píng)價(jià)

工程對(duì)于STEM教育來說非常重要,這涉及學(xué)生的實(shí)踐。在教師對(duì)相關(guān)的問題討論清楚之后,就需要學(xué)生對(duì)問題提出解決的方案,教師應(yīng)對(duì)學(xué)生的方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng),最終引導(dǎo)學(xué)生采用比較可行的方案。在這個(gè)過程中,不僅提高了學(xué)生自主設(shè)計(jì)方案的能力,也提高了他們的科學(xué)探究能力。

3.4 課堂總結(jié)

一般分為三類,首先是小組自評(píng),教師引導(dǎo)學(xué)生從制作過程、制作結(jié)果等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。其次是小組互評(píng),根據(jù)互評(píng)量表對(duì)其他組同學(xué)的作品進(jìn)行評(píng)價(jià),引導(dǎo)學(xué)生有所選擇進(jìn)行評(píng)價(jià),不必面面俱到,要突出重點(diǎn),肯定優(yōu)點(diǎn),指出不足。再次是教師總評(píng),教師對(duì)在實(shí)踐中有創(chuàng)新的學(xué)生應(yīng)予以特殊鼓勵(lì),全面綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、實(shí)踐能力,以及作品質(zhì)量,抓住亮點(diǎn)予以表揚(yáng)。最后是評(píng)出最佳作品。