基于STEM理念的物理实验课程实践

摘要：物理实验由于知识点具有交叉领域，实验资源又与多学科发生联系，可以渗透STEM教育理念，进行实验教学.《超重》教学案例，以“实验”为手段，以“STEM教育”为理念，以“物理实验”为载体，以“创新实验室”为环境，通过“合作学习”“项目探究”等，进行跨学科知识、能力情感价值观的培养，构建STEM理念下的“物理实验教学”的教育新生态.

关键词：STEM课程；超重；模型；仪器

基金项目：2018年浙江省教育科学规划课题“基于STEAM教育理念下的创新学具研究与实践”，项目编号：2018SC099.

作者简介：段雨薇 （1987-），女，黑龙江人，本科，实验师，研究方向：物理教学.

人教版高中物理教材2010第4版必修1第四章 第7节用牛顿运动定律解决问题一节课中，展示了超重现象.自制实验仪器——简易超重演示仪充分运用多学科知识包括科学（science），技术（technology），工程（engineering），数学（mathematics）等知识能够很好地演示超重现象.演示的内容源自科学知识（science）——超重，而在自制教具搭建模型的过程中，需要充分考虑工程学（engineering）中稳定性，充分运用传感器人工智能技术（technology），在读取受力数值后，能通过数学（mathematics）知识精确计算物体加速上升时的加速度，从而进行定量分析，STEM多学科知识相互配合，相辅相成.本文以站在STEM教育视角下的《超重》这一物理实验的教学为例进行物理实验课程实践.

【项目名称】超重

【学习目标】

STEM目标见表1所示.

【项目实施过程】

一、知识铺垫

我们看到指针式表盘读数的方式，能够明显看到指针的变化情况，但存在一个缺点，演示时加速过程较短，体重秤加速过程中示数變化过快，不易察觉表盘上指针变化情况.如果利用新材料——拉伸后的记忆金属弹簧加热后会恢复原状的特性以及数字化传感器制作的简易超重演示仪，将超重现象转化为杠杆的不平衡状态，现象是否更加直观？如果通过传感器又能准确记录拉力数值，是否能够避免了实验过程中指针示数变化快，不容易观察的弊端？

学生对于记忆金属弹簧知识不熟悉（如图2），这是一种新材料，需要对新材料的特性加以说明，同时需要回顾过去学习过的相关概念和理论知识.

（一）关键概念

重力、弹力（拉力）、加速度、坐标系X轴、Y轴、公式运算、方向、正负，小于、大于等.

（二）理论知识

受力分析、牛顿第二定律、传感器技术、电路控制、作图技术等.

二、方案制定

（一）划分小组3—5人，确定小组负责人，小组成员分工.

（二）制定计划，先设计与制定图纸，画出搭建模型草图，再制作超重探究仪，再进行探究计算.

搭建模型：根据所给实验器材，小组设计探究上述实验现象的模型并动手制作.

首先，设计并画出草图，需要解决如下问题：

1.如何让弹簧与物体加速上升？

利用记忆金属加温后恢复原状的特性，带动钩码加速上升.

2.弹簧与物体先处于平衡状态还是非平衡状态？

保持杠杆处于平衡且静止状态.

3.示数变化太快不容易观察如何改进？

将超重现象转化为杠杆的不平衡状态.

4.定量数值如何得到？

通过传感器读取——传感器连接数据采集器通过软件读取.

5.支架处于如何保持稳定？

通过老虎钳固定，拧紧.

实验装置的示意图如图3所示.

设计意图： 学生在设计时可能遇到两个主要问题：一是示数变化太快如何转化；二是弹簧如何带动物体加速上升. 这时教师进行全班巡视，对学生的设计方案给予适当的评价，并帮助他们了解哪些方案可行，哪些方案不可行， 提醒学生在设计时分析可利用的资源和方案的实施难度[1].

三、项目实施

（一）选择材料与工具

选择质量不同的钩码200g、100g、50g、20g、10g等不同规格进行实验.

选择不同温度特性、不同粗细、不同方向的记忆金属弹簧进行实验.

选择不同规格老虎钳、刻度尺等工具.

实验材料如图4所示.

（二）按图纸加工材料

选择合适力矩的杠杆悬挂钩码，称量传感器质量，使得杠杆平衡.

（三）动手制作

1.安装铁架台的底座，旋紧螺丝，确保其稳定性.将轴承放在杠杆的中心点的孔内，然后将轴承固定在铁架台上.

2.杠杆的右端15cm处固定拉伸后的记忆弹簧，下端挂上50g钩码一个，钩码下端悬挂力传感器，力传感器连接数据采集器.

3.在杠杆的左端挂上150g砝码使杠杆平衡.

当制作完成后，小组检验制作效果，能否用来探究课前提出的问题？钩码及支架是否稳定？不能实现探究的小组，教师需提醒他们分析原因并进行改进. 例如，用胶水固定，或者更换零部件.

设计意图：设计与制作是工程技术的核心，也是人们在现实世界制作产品的第一步.通过设计一件作品，让他们了解设计和完成作品的基本过程，让学生将头脑中的设计呈现在纸上，可以促进他们思维的发展.动手制作是本环节，也是整节课的重点和难点.让学生动手做，一方面可以满足他们动手的兴趣和欲望，另一方面在制作、探索的过程中体验和发现科学道理.当学生成功完成一件作品后，一定会体会到“做”成功的乐趣，改变他们对科学与技术的看法，养成通过“动手做”来解决问题的习惯[1].

（四）合作探究

用加热装置迅速给记忆弹簧加热，记忆弹簧迅速恢复拉伸前状态，带动钩码及力传感器，将钩码往上吊，钩码从静止到上升的过程就是向上做加速运动的过程，此时钩码的向上的加速度大于自由落体的加速度g，这时我们可以看到杠杆的右端向下沉，这就是超重现象.同时，打开ELAB数字化实验系统软件，使系统处于“联机”状态，设置采样方式为“连续采样”，采样频率为20Hz，采样总时间为20s，采样结束方式默认为“按时间”，并对传感器进行较零.点击开始按钮，力传感器连接的数据采集器上显示出拉力的具体数值，以及拉力随时间的变化图象，通过数学计算可以精确计算加速上升时加速度a的大小.钩码加速上升时，由于传感器倒挂在钩码上，传感器接受的数据刚好与钩码的运动情况相反，所以图象显示为失重现象，实为超重现象.力F的数值与图象上大小相等，方向相反.当弹簧恢复拉伸前状态后，钩码静止，杠杆恢复平衡.

探究注意问题：

1.实验之前注意调节平衡.且不可在杠杆不平衡的状态下开始实验.

2.实验结束及时按下数据采集器上的停止按键，保存数据.

3.传感器倒挂在钩码上需要转换数据，能否探究其他方案使得传感器正立放置，直接得到实验结果？

4.能否设计其他方案既能演示超重现象同时又能演示失重现象？

（五）成果展示

选派代表，上台讲解，制作PPT讲解优势与不足，并展示实物.

教师就可以根据学生的实际情况提出一些思考问题. 例如，加速上升时，弹簧对钩码的拉力是多大？钩码对弹簧的拉力是多大？钩码对弹簧的拉力与物体所受的重力相比较哪个大？加速度的方向是朝哪里的？双向力传感器倒置悬挂是否影响实验结果？拉力的大小和方向发生变化吗？这时先组织小组讨论，然后分组汇报、交流，可以要求小组分享制作的经验、体会.

同伴的检验，这对于学生科学概念和批判思维的形成大有裨益.

设计意图：表达、交流不仅能够促进学生积极思考，而且能够让学生自己的观点接受同伴的评价和质疑，在交流中碰撞出思想的火花， 促进思维的发展. 同时交流讨论也是教师进行课堂评价一项很重要的指标[1].

（六）得出结论

超重的定义：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象，称为超重现象.

弹簧拉力最大值为F=1.4N，方向竖直向上，杠杆右端力传感器和钩码总质量m=0.15kg，则物体的加速度a=F/m=9.3m·s-2

【学习评价方法】

评价主要从学生的参与度、学生在学习过程中的行为表现以及学习成果对学生进行评价.学习过程中能积极参加课堂活动、且能探究问题，有想法的；进行合作学习活动时能主动担任组长并组织活动.按时按量完成任务，且能主动探究问题、解决问题的最终评分较高.同时也采取学生自评、学生互评的综合评价方式.前者占70%，后者占30%综合计分.

【典型作品】

【使用效果】

该简易超重演示仪（如图5）可应用于高中物理人教版必修1第四章第7节《用牛顿运动定律解决问题（二）》中超重的教学，定性探究超重现象，也可以作为学生课后拓展探究实验定量探究加速度的数值大小的探究性实验仪器，从而了解超重现象发生时，加速度的大小、方向的情况.在学习了本节课的知识后，学生们具备了自己去连接电子电路、自己搭建设计、制作实验教具的能力，并能进行小组协作来完成这个学习项目，提升学生的科学探究能力，有效激发学生的探究兴趣.在本校经过多位物理教师在高一年级及自主招生年级教学中反复使用，效果甚佳，受到师生的一致好评.

此案例深入体现物理学科核心素养的内涵.重力、弹力、加速度等科学概念，体现了核心素养下的相互作用、物质观、运动观等物理观；受力分析的科学模型、牛顿第二定律的科学规律，运用数学方法、思维方法、解决复杂问题的思维流程，体现了核心素养下的科学推理以及科学论证的方法；演示过程学生获取参与实验、获取操作体验技能，体现了核心素養下的科学探究过程；实验结果力求科学、严谨，体现了核心素养下崇尚科学、尊重事实的科学态度.新材料——记忆金属弹簧的巧妙应用解决了难以实现的加速上升受力显示或测量的问题，使得学生学会质疑、批判、并提出创造性见解来解决问题.

通过创设一个演示超重实验模型的情境，使得科学、技术、工程、数学知识点相互作用，促使学生在学习中建构知识、寻求合作来解决问题，对于培养学生的STEM素养有一定的参考价值.物理实验由于学科本身具有交叉领域，同时各个知识点会发生联系，上课过程中可以用教育教学来渗透STEM教育理念，正如《超重》教学案例较好地融合了STEM的科学、技术、工程和数学素养.演示的内容源自科学知识（science）——重力、弹力（拉力）、加速度等科学知识，而在自制教具搭建模型的过程中，需要充分考虑工程学（engineering）中稳定性，教具的主题结构等等，体现了工程学的知识，充分运用人工智能技术（technology）传感器，体现了技术性知识，使信息技术与传统实验有机结合.通过杠杆一端的下沉得到超重的定性结论，通过传感器读取数值，定量计算超重状态下的加速度，使得实验结果“有理有据”.在读取受力数值后，能通过数学（mathematics）知识精确计算加速上升时的加速度，对数据进行记录和处理，比如求加速度的大小，列表格，计算，从而进行定量分析，体现数学能力的培养.STEM多学科知识相互配合，相辅相成.

参考文献：

[1] 丁亚红. 有关重心的STEM案例开发——以“会滑坡的竹筷小人”为例[J].小学科学. 2017（2）：58-59.

[2] 尉言勋，李学强，吴晓红.STEM课程教学案例分析：音乐卡片[J]. 中学化学教学参考，2016（21）：37-39.