基于物理核心素养下的STEM教学设计

付天宇　张迪

摘 要：当今社会越来越重视培养综合性人才，所以STEM教育得到了大家的关注.STEM教育是指科学、技术、工程、数学教育的统称.在展示培养学生物理核心素养的基础上，依据STEM教育理念，以高中物理“水火箭”的制作为例，进行教学设计.

关键词：STEM教育理念;水火箭;教学设计

文章编号：1008-4134（2019）19-0030中图分类号：G633.7文献标识码：B

STEM教育理念是由美国国家科学基金会于20世纪90年代提出的，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）教育的统称，是将多门学科知识融会贯通的综合性教育.现在大多数学生认为初高中阶段学习的科目没有太大的意义，这是因为在日常的教学中，常常将不同的科目过度分裂、划清界限.只注重本学科的知识内容，而忽略其他学科与本学科的联系.将科学、技术、工程、数学相辅相成、融会贯通，致力于培养复合型人才.只有真正做到STEM教学实践，才能使得学生实现更有意义的学习.

隨着2017版新课程目标的出炉，提出的物理学科核心素养包含四个方面：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任.核心素养既是知识、方法和态度等方面的整体表现，又是知识、方法和态度等各个方面的融会贯通.标志着不仅要打造以“教师主导，学生主体”的课堂，还要更加注重学生的身心发展.为了使教学课堂更为高效，教师务必在物理学科核心素养的要求下，完善现有的教学课堂.那么如何使得教学课堂更加高效呢？笔者认为，新课程标准中的这些理念和STEM教育理念是一致的.基于物理学科核心素养的培养来开展STEM课堂教学，完善学生知识结构，培养学生创新意识，加强学生动手实践能力.笔者设计了如下体现STEM教育理念的物理教学模型，如图1所示.

本文以“水火箭”为例，阐述“水火箭”的教学目标、设计思路、教学过程，展示如何将科学、技术、工程、数学融入物理课堂的具体流程，使学生充分发展科学、技术、工程、数学的综合素质，提高学生的物理核心素养.

1 基于物理核心素养设定的教学目标

物理观念：运用牛顿第三定律、动量守恒定律、能量守恒定律等物理知识分析水火箭运动原因，进而正确理解“反冲”定义.

科学思维：（1）通过探究水火箭获得速度与哪些因素有关，锻炼控制变量法的思维逻辑;（2）通过设计并制作水火箭培养动手操作能力，形成模型构建思维;（3）通过探讨水火箭制作过程中可能会出现的问题，发展科学推理探究思维.

科学探究：经历“探究水火箭升空原因以及飞行高度、速度与哪些因素有关”的探究过程，能运用控制变量法制定方案，能合理选择实验器材进行实验，并获得实验数据，能正确处理实验数据，最终获得精准的实验结果.

科学态度与责任：（1）通过自己动手操作实验、制作水火箭得到对物理学科的自豪感与满足感;（2）通过观看神州火箭升空视频，加强爱国主义情怀;（3）学会与他人交流合作;（4）发散思维，善于观察生活，将生活中的废品变废为宝.

2 设计思路

本节STEM课程，以“如何制作水火箭”为主线问题，采用小组交流合作的学法，学生在设计实验进行实验探究的同时，将科学、技术、工程、数学四个方面渗透到实验的各个角落.在科学层面上学生能够自主设计方案，并且掌握动量守恒定律、能量守恒定律、力的平衡原理、压强差的知识等，达到学以致用、活学活用的教学效果.在技术、工程层面上，如何让水火箭发射的速度更大、发射的距离更远、发射的高度更高？这些问题都需要在设计实验、制作水火箭时注意，并得到解决.在数学层面上，运用秒表、尺子、量角器、秤等度量工具，用来计算水火箭的具体参数.

3 教学设计

3.1 学生分组

基于以上设计思路，可以将全班40名学生，每组4个人，共分成10组进行授课.

3.2 创设情景，提出任务

视频引入：观看神州火箭发射的视频，聚焦问题，提出任务.

讲述并提问：为什么火箭能够升空呢？

学生回答：依据动量守恒，喷气前的火箭动量为零，喷气后火箭和燃气的总动量仍旧为零.还运用了反冲的原理.火箭是依靠喷气流的反冲作用从而获得巨大的速度.气流给地面向下的力，地面反作用使得气流产生向上的力，从而推动火箭升空.

设计意图：通过视频导入，激发学生的好奇心和学习兴趣.观看神州火箭发射升空的片段也会增强学生的爱国情感.

讲述：首先由教师向学生展示已经制作完成的水火箭（利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼等），并且播放提前录制好的水火箭发射视频.将实物与视频相结合，讲解水火箭的原理：将动力舱中灌入适当质量的水，利用打气筒充入空气超过临界压力值后发射.压力空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，在反作用力下，火箭快速上升.

提出任务：请同学们利用8个不同形状500ml的饮料瓶或矿泉水瓶、剪刀、单面刀片、木（皮、软胶）塞、球类气针、圆珠笔芯、气门芯、订书机、X光片、双面胶、彩色装饰纸等制作简易水火箭.

经过师生探讨后，确定以下五个关键的问题：

（1）选择哪种类型的瓶子作为水火箭的主体？

学生讨论与交流，动手实验后得到：水火箭的主体应该选择雪碧饮料瓶.因为雪碧饮料瓶的上半体是上下等截面的圆柱体，没有过大的弧度，是较为理想的流线型.并且碳酸饮料的瓶体耐压性比较好，比普通的矿泉水瓶的瓶壁稍厚一些.（提高技术、工程素养）

（2）如何保证喷嘴的密闭性？

学生讨论与交流，动手实验后得到：在制作过程当中，喷口的密封性是最为重要的，密封一定要好，否则将不能为水火箭提供良好的压力，导致水火箭实验失败.即使气针在木塞中，也要同时保证密不透水，所以可以用烧红的针尖穿洞.（提高技术、工程素养）

（3）机翼的安装是否有必要？

学生讨论与交流，动手实验后得到：机翼的安装是十分有必要的，并且安装的高度、四个机翼相对安装的位置、是否对称等问题都关系到水火箭本身能否保持直线运行.（提高科学素养）

（4）动力舱中水和空气的比例应该是多少？

学生讨论与交流，动手实验后得到：水火箭用水量不能过多也不能过少，因为水是“火箭”的燃料，燃料的多少关乎到水火箭能否正常运行.最佳用水量经过多次试验后发现应为火箭容积的1/4～2/5之间.假如瓶中气体过量，那么相应的水的体积就一定会减小，气体所具有的最大势能就相对来说比较大.设水的质量为m，水火箭的总质量为M.规定向下为正方向，水喷射时速度为V1，水火箭发射时的初速度为V2.那么水的动量应为mV1，水火箭获得的动量为-MV2.根据牛顿第三定律可知水火箭受到反作用力的效果，水火箭被发射.根据动量守恒原理可知，mV1-MV2=0，由于水所占的体积较小，mM，所以V1V2，水火箭获得的速度比较小，最终结果是制作的水火箭飞不远.假如瓶内气体过少，则相应水所占体积就会增大.瓶内气体所占体积小，所能供应的能量本身就很少，又无法立即将瓶内的水全部排除干净，这样水火箭将会带着动力舱中剩余的水继续飞行，因为水火箭本身的质量加上动力舱中剩余的水质量过大，最终结果也是制作的水火箭无法飞得很远.（提高科学、技术、工程、数学素养）

（5）最佳的发射角度应该是多少？

学生讨论与交流，动手实验后得到：水平方向飞行，因为空气阻力的存在，发射的最佳角度应在50～55度之间，这需要我们将发射台的倾斜角度调整到最佳.不同的水火箭发射最佳角度可能不同，可以通过控制变量法进行实验确定.竖直方向飞行则为90度.（提高技术、工程、数学素养）

设计意图：探讨制作水火箭过程中出现的关键问题，对制作过程中出现的问题进行反复的质疑讨论最终得到解决方案，从而形成学生完整的逻辑思维，培养学生动手能力.

3.3 改进水火箭制作、进行小组比赛

最后在操场上各个小组利用制作完成的水火箭进行比赛，比一比哪一组的射程最远？高度最高？再经过上述五个问题的解决，对水火箭进一步完善：喷嘴的密闭性、机翼位置保持对称、改变动力舱中水和空气的比例关系、调整发射角度等.

设计意图：通过比赛的方式激发学生的求知心，达到寓教于乐、活学活用的教学效果.比赛结果不仅仅代表水火箭的的射程、高度，更代表的是学生对于知识的掌握以及应用情况.在教学中不要局限于课堂中的实验，也要将眼光放得长远些，给予学生更多的发挥空间，将物理学科与其他学科进行有机融合.

4 教学总结与反思

S（科学）：制作水火箭中涉及的科学原理为：动量守恒、能量守恒、力的平衡、压强差、空气阻力等.

T（技术）：选择哪种瓶子作为水火箭的本体？本体与动力舱应该怎样固定？机翼的安装位置应该注意什么？怎样保证喷嘴的密闭性？动力舱中水和空气的比例应该是多少？发射角度范围是多少？制作的过程中用到哪些工具？先做哪一步？再做哪一步？对以上问题的思考都能够培养学生的技术素养.

E（工程）：学生经历懂得原理—明确目标—理清思路—提出质疑—验证猜想—设计实验—动手操作—分析结果—得出结论完整的实验过程，这些步骤都体现了工程学的特点，从而培养了学生的工程素养.

M（数学）：学生通过动量守恒定律的计算分析得出水火箭最佳配重比，切身体验水火箭的发射距离以及高度，灵活运用数学计算、测量工具培养学生的数学素养.

通过本节课，我们可以看到STEM教育理念在激发学生动手能力等方面有极大的效果，将STEM的教学理念渗透到每一处教学实践中.制作水火箭的过程中，不仅给学生更大的想象空间也给学生更大的制作发挥空间，激发学生对物理学科的兴趣以及热爱.水火箭发射的一瞬间代表了知識的升华，由间接经验过度为直接经验，由理性认识转变为感性认识.将科学、技术、工程、数学四个方面融为一体，合理地将当下课堂进行变革.本次教学设计因受内容难度、课堂时间、场地限制等影响仍有待提升.

参考文献：

[1]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.

[2]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[3]王玥月，陆建隆.凸显STEM教育的初中物理教学设计初探 ——以“浮力”教学为例[J].物理教师，2017，38（2）：41-43.

（收稿日期：2019-07-05）