STEM理念下中学物理创新演示实验的设计与实践*

翁宗琮

一、问题的提出

新课程改革对中学物理教学提出了全新的教学理念，首先是培养中学生了解并采用科学家的探究精神发现和解决物理问题，全面发展学生的科学素养。其次是引导学生学会细致观察生活中的物理现象，实现“从生活走向物理，从物理走向社会”的STS教学理念。第三是通过多种学习与探究方式让学生发挥自身的想象力与创造力发现和解决物理问题。探究性实验，是指学生在不知道实验结果的前提下，以教师所给的启发性问题为指导，通过实验设计、实验操作、思考分析得出结论的实验形式。由学生亲身经历和体验物理探究过程，不仅可以获得物理知识与技能，还可以激发对物理的学习兴趣。通过了解物理探究的方法，知道物理的本质，形成科学精神和科学价值观，从而全面发展学生的科学素养。

STEM教育(STEM Education)源于美国。美国科学教育学者最早于20世纪50年代提出科学素养概念，并得到了其他国家科学教育学者的普遍认同；到20世纪90年代，美国国家科学基金会首次使用STEM描述涉及一至多门STEM学科的事件、政策、项目或实践;在小布什总统两届任期内，STEM作为新概念不断出现在美国各种改革政策和项目甚至法律中；奥巴马总统执政之后，对STEM教育的重视提升到新的层次。上任初，他便颁布了《美国振兴及投资法案》，将增加财政投入支持STEM教育写进法案；值得注意的是，美国STEM教育的推广不是在政府指导下单纯依靠学校推动，而是动员了全社会特别是企业界的力量(中国教育信息化网，2018)。物理探究实验在实质上是一种模拟性探究活动。具体而言是一个以学生为主体的探究学习环境。学生通过经历与科学家进行科学探究相似的过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，领悟科学的精神和思想。对于中学生而言，物理探究实验有利于在物理新课程的教学活动中，让学生体会从自然到物理，从生活到物理的STS理念，让学生通过自主学习和协作学习，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探究求知精神、实践能力以及创新思维。因此，在中学物理演示实验过程中引入STEM理念指引下的Arduino传感器平台等，不仅能够帮助学生更加直观地理解物理实验的本质，激发学习兴趣，更能够提高物理教师自身的专业化发展。

二、STEM理念下中学物理演示实验的设计原则

STEM教育既有坚实的教育理论和教学实践基础，又是技术创新的驱动力，而物理演示实验是中学物理教学的一个非常重要的环节，把STEM理念应用到中学阶段的物理教育，更是全新的尝试。所以，综合STEM课程的创新、灵活、开放等特点，在“众创时代”随着项目学习的展开，越来越受到物理教育研究人员的青睐。笔者希望能借助STEM教育理念在本校开展以传感器演示物理实验为教学基础的物理实验课堂教育实践活动，为本校学生的物理学习找到自己可以持续发展的道路，从而把更多的学生培养成具有科学创新探究精神的人才。笔者认为，STEM理念下中学物理演示实验的设计应遵循以下几个原则。

1.科学性原则

首先，搭载传感器的物理创新演示实验设计不能出现科学性错误，不可以展示错误的物理概念和科学原理。其次，要遵循学生的认知规律，用实时呈现的数据对学生的初次认知形成良性刺激。能够创造条件让学生亲自动手的实验一定要让学生亲自尝试操作，毕竟每个学生对知识的认知和接受过程存在比较大的差异性。坚持创新演示实验只能起到辅助学习的作用，数字化实验不能取代传统物理实验的作用，只能辅助教师的教、学生的学。以压力传感器为例，通过这个传感器可以直接读取物体对水平面所产生的压力(即物体的重力)，但是这个演示实验不能直接代替学生对弹簧测力计的认知与使用，只能在特定的场合使用。学生对于弹簧测力计的使用方法与读数方法还是要熟悉和掌握的。

2.悦纳性原则

创新物理演示实验的设计应该做到使大部分教师和学生对实验目的一目了然，是为了更加准确与直接地读取数据从而验证探究实验的准确性，这样的创新物理实验才有应用价值，同时还要经得起实践的检验。同时，中学物理教育非常注重思维的敏捷性，注重学生核心素养的培养。创新物理演示实验的设计应该注重把物理实验中的重要难点以及解决实际问题的思路以最简约的方式传达给学生。

3.实用性原则

创新物理演示实验的设计应该充分考虑教学目标、实验内容、学习材料、实验特点、学习对象等相关因素，切忌为了让实验更加高大上而故意使用可有可无的传感器。创新物理演示实验设计的最终教学目标是让学生有步骤、有计划地收集实验数据，认真分析实验内容与教学材料，根据传感器反馈回来的真实数据，引导学生理解实验原理、掌握认知难点、理解物理探究实验的内涵。创新物理演示实验的设计应该能够帮助找出学生的认知难点，结合认知规律从而采用不同的设计方案和教学方法。实验所展示的数据也要留下思考的余地，注重培养学生独立思考、设计实验的能力，从而激发学生学习的兴趣和动机，以提高物理实验教学效率。

三、STEM理念下中学物理演示实验的设计案例—中学物理(2012人教版)

1.Arduino搭载温度传感器—适用于第三章《物态变化》中的熔化与凝固、汽化与液化等知识的讲解

熔点和凝固点是物理学中两个密切相关的概念。现行义务教育教材各类版本在编排本节内容时，大都采用通过做海波熔化演示实验，结合熔化图像推出熔点定义，结合凝固图像推导出凝固点定义，进而得到结论：“同一种物质(晶体)的凝固点和它的熔点相同。”然而当具体操作此项实验时，发现并非如此。面对实验出现的现象和教材中的结论，笔者选择利用温度传感器代替传统温度计进行物态变化的相关探究实验，同时在高清摄像头的辅助下，学生可以更清晰地观察海波的熔化过程(如图1所示)。

图1 温度传感器支持的海波熔化温度探究演示实验

海波(硫代硫酸钠Na2S2O3•5H2O)是一种熔点为48℃的无机盐晶体。传统的物理探究实验通过观察温度计的示数变化使学生认识、理解晶体在熔解和凝固过程中保持温度不变的特性。但是受海波的纯度和海波颗粒大小的影响，在课堂实时演示海波的熔化与凝固实验过程中，学生很难观察到温度计在48℃的位置有短时间的停留，因此笔者采用温度传感器代替传统温度计，让学生能够更加清晰地观察到海波熔化与凝固时的温度变化。

2.Arduino搭载超声波传感器——适用于第二章《声现象》中的超声波知识以及第一章《机械运动》讲解帮助学生理解速度的定义

图2 超声波传感器支持的测距仪

中学物理(2012人教版)八年级(上)教材第二章《声现象》第二节《声音的特性》中对超声波与次声波有如下的解释：“高于20 000 Hz的声音叫作超声波,低于20 Hz的声音叫作次声波；大象可以用次声波交流，地震、火山爆发、台风、海啸等都伴有次声波发生，一些机器在工作时也会产生次声波；蝙蝠可以发出超声波。”学生对这种无法直接聆听的超声波会觉得感知模糊，虽然教材对超声波的应用也作了相应的解释，但是在对学生的中学物理学习方法的问卷调查与访谈中发现，学生对超声波的认识不够直观。如果能有一种设备比较直接地反映超声波的存在与应用，则能够在课堂上帮助学生更好地认识超声波的概念。

利用Arduino搭载超声波传感器，利用Arduino将传感器反馈回来的信息通过数字液晶显示屏显示出障碍物的距离。这款简单的测距设备可以让学生比较直观地观察出液晶屏显示出的数字距离之所以会不断地变化的原因，是由于利用的超声波对障碍物的反射特性，可以让学生对超声波的存在留下比较深刻的印象，并极大提高学生的物理学习兴趣(如图2所示)。

3.Arduino搭载压力传感器—适用于第十一章《功和机械能》

中学物理(2012人教版)第十一章《功和机械能》中提到了“重力势能”这一概念，课标对这一章节有以下一些要求：“3.2.2知道机械功和功率。用生活中的实例说明机械功和功率的含义。3.2.1知道动能、势能和机械能。通过实验，了解动能和势能的相互转化。举例说明 机械能和其他形式能量的相互转化。”在实际教学的过程中发现传统教学片断的演示实验无法让学生对于重力势能有比较系统的理解，学生看了演示实验后仍然无法明白，重力势能的大小是如何区分以及难以区分影响重力势能大小的因素。希望能够以一种数字化显示的方式体现重力势能的大小，让重力势能大小的改变以具体数字的形式进行体现，从而帮助学生更好地理解影响重力势能大小的因素，所以使用Arduino主板搭载压力传感器实现这一目的。

利用Arduino搭载压力传感器，通过改变下落物体的质量以及下落物体的高度，撞击压力传感器产生的不同数值，模拟重力势能的变化，引导学生探究与分析影响重力势能大小的因素，可以让学生对重力势能的概念留下比较深刻的印象，并极大提高学生的物理学习兴趣(如图3所示)。

图3 Arduino支持下探究影响重力势能大小因素的装置

4.Arduino搭载红外线传感器—适用于第八章《运动与力》中牛顿第一定律的讲解

关于牛顿第一定律的课程标准解读为：(1)在课程目标上注重提高全体学生的科学素养：牛顿第一定律深刻揭示了运动与力的关系，是人类对世界本质规律认知的成果。学生在学习本节的过程中应树立起对科学、真理的追求。(2)在课程实施上注重自主学习，提倡教学方式多样化：本节内容的难度中等，适合学生自主讨论学习，并运用所学知识解决问题，解释生活中的现象。(3)在课程结构上重视基础，体现课程的选择性：牛顿第一定律是整个力学的基础，把最基本的匀速直线运动和物体是否受力联系起来，确立了力和运动之间的关系，是前面力的作用效果的延伸，又为学习二力平衡的知识打下了基础，起着承前启后的作用。因此制作一个装置，可以将小球在同一高度滚下来接触不同粗糙程度的介质时速度的变化用数字化的形式表现出来，使实验现象更加直观、明显。

这个作品的制作过程先是利用木板搭建一个支架，然后利用废旧的塑料线槽做一个轨道用于小球从同一高度滚下，再利用一个相对较小的线槽做一个小球滚动的弯曲轨道，目的是让小球在进入不同粗糙程度的介质表面时，减小高度差，因为铺上介质时会垫高接触表面，所以小的塑料轨道可以和垫高的介质表面平稳对接。再利用两个红外线传感器测量小球通过的时间，最后利用Arduino主板实时计算出小球在不同的介质表面通过的速度，并通过这个液晶显示屏显示出来(如图4所示)。

图4 搭载红外线传感器的牛顿第一定律演示装置

四、STEM理念下中学物理演示实验的实践效果

笔者在2017学年中学物理八年级教学过程中进行了STEM理念下中学物理演示实验的应用，对象为来自广州市第一二三中学的8个教学班360人。经过2个学期的实验，在学期末利用问卷调查和访谈的方法分析了学生对于创新物理实验的接受程度(见表1)。

表1 学生对于STEM理念指引下创新物理实验的接受程度

在针对不同层次的学生进行的访谈中，学生普遍对创新物理实验很感兴趣。尤其对实时展现实验数据并进行分析兴趣浓厚，这与初中的学生所具有的喜爱分享、喜欢展示自己的个性有很大的关系。此外创新物理实验很大程度上允许学生自主探究和学习，这让本来生硬的知识通过信息化的环境变得生动有趣。实验数据可以通过计算机直接显示在大屏幕上，这就让大部分学生都能够实时观看探究实验过程，尤其坐在课室最后两排的学生，常常因为无法看清教师的实验演示过程而感到非常苦恼。STEM理念下的物理探究演示实验，学生在能够看清实验过程的同时，对物理产生了浓厚的兴趣。

五、结语

笔者认为，在STEM理念的指引下，物理课堂合理地运用Arduino传感器进行辅助，有助于创设有趣探究的课堂氛围，培养学生的主体参与意识，更能激发学生的学习热情和自主性，更能有效地参与物理学习，学生掌握物理的积极性变得更高。通过信息技术手段的辅助，学生能更灵活地应用所学物理知识，对物理探究性问题的解决更有帮助。