基于STEAM教育理念的高中物理活动课程的设计

杨俊亚 郑卫峰

摘 要：自STEAM教育为提高人才的创新能力以及竞争力被提出，就得到了社会各界人士的极大关注，作为STEAM教育的重要主流教育模式的機器人教育、编程教育、3D打印教育进入中小学为中小学教育带来新的活力.从物理学科出发利用教育机器人围绕高中物理实验，设计一个适合普通高中开展的活动课程.

关键词：STEAM教育;教育机器人;物理;活动课程

文章编号：1008-4134（2020）05-0031中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：杨俊亚（1994-），女，河南周口人，硕士研究生，研究方向：物理学科教学;

郑卫峰（1974-），女，福建仙游人，硕士，教授，研究方向：物理实验教学.

1 引言

STEAM教育前身是诞生于20世纪90年代美国的STEM教育，在 Science （科学）、Technology （技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）这几门学科的基础上增加了Art（艺术）成为STEAM教育，简单地从概念上讲，它是有目的地整合各学科的教学和学习方法的教育理念[1].这对于培养具有解决实际能力的人才有比较大的帮助，因此这一教育理念在概念起初被提出时，美国、芬兰等相对发达的国家比较重视从而形成比较科学的课程体系.近几年，随着党的十九大报告、《教育信息化“十三五”规划》等国家层面对于STEAM教育的号召，这个理念也开始被教育者们融入实际教学，在教育部门的号召下，学校、教师、社会教育机构等都开始开发相应的课程[2].

本文从教师角度利用越疆科技教育机器人（具有3D打印、激光雕刻、图形化编程等功能）（如图1所示）与中学物理学科相结合设计适用于中学的STEAM教育课程.根据STEAM教育特点，以及物理实验对学生的要求在教学设计过程中强调学生小组合作以及培养学生遇到问题自主设计和探究的能力.教学设计共分为以下五个部分：第一，情景导入是通过“搬巨石”这一生活中的问题引导学生展开分力的方向和大小对于合力的影响的活动探究;第二，基础知识讲解是教师通过让学生解决问题串的方式掌握机器人基础知识基本功能的使用;第三，学生分组探究是教师组织学生分组设计和打印活动探究的模型;第四，高阶活动探究是教师鼓励引导学生在原有设计模型上对设计作品改进;第五，作品展示与评价是在学生相互分享本组的设计作品和过程之后，教师进行作品评价[3]，课程设计流程如图2所示.

2 基于STEAM教育3D打印的力的合成演示仪实验的教学设计

2.1 情景引入

课时一：从工程建筑到机械臂建造房子.

视频播放现代化大型建筑建造过程和效果展示的延时摄影作品（现实生活中或者是建造类游戏），让学生感受在建筑工程中层层堆叠，再利用鼠标控制（或图形化编程控制）完成一堆规则摆放的积木搭建成房子的活动，从而引入本次活动用的教育机器人，简单介绍机械臂的构造，根据以下问题引导学生完成从机械臂到3D打印机的建构：根据机械臂可以完成指定的移动和抓放的功能思考，机械臂是否可以建造更精美牢固的房子呢？什么原因造成的？怎样选择材料，是否可以考虑类似建筑工程中的水泥这种初时可以任意改变形状的液态之后变成固态的材料？材料在使用过程涉及到哪些物态变化？那么，生活中有哪些类似的材料？金属、塑料融化和凝固过程中需要什么温度条件呢？哪一个更加容易达到呢？完成塑料的融化这一物态变化需要具有什么功能的装置？思考如何设计这个加热装置（学生的思维较发散时跳过上面的问题，直接根据上面展示引导学生对教育机器人功能进行大胆猜想）.展示机械臂的3D打印套件验证学生的构建，再展示3D打印的成品.提问将3D打印套件换成可发出强度受控的激光套件后，可以完成怎样的功能？

之后教师将套件换成激光雕刻套件雕刻出一个建筑的平面图.总结机械臂功能并要求学生课后讨论：机械臂可以完成怎样与物理有关的活动[4]？

课时二：如何搬动巨石？

总结学生讨论结果（打印教具、分析运动状态等）.准备一端系有两根绳子的质量较大的物体模仿建筑材料大青砖，将学生分为组，要求每组委派两人通过拉绳子去移动巨石，并且改变所拉绳子之间角度探究所需要拉力的大小与角度之间的关系，根据学生探究出的两个绳子之间的角度越大所需要拉动石头的力越大这一结论分析这个过程的力学原理，即当合力不变时，两分力夹角越大，分力越大，遵守共点力合成的平行四边形定则，提问学生是否可以利用机械臂来解释和说明这一原理，提示学生参考课本（2019年7月鲁科版必修第一册）第94页的平行四边形模型（如图3）.

本节作业：分组讨论如何在此模型基础上进行改进，设计出力的合成演示仪来解释拉石头时分力角度与大小的关系这一问题.

2.2 基础知识的讲解

教学设计：先介绍利用简单模型的3D打印过程介绍3D打印流程：设计建模、切片处理、逐层打印.教师先利用3D one（3D one为一款设计软件）展示设计物理实验小车的3D模型的过程，要求学生先将小车整体划分为车轮以及车体两部分，然后测量小车车体的长、宽、高以及车轮的宽度、直径等长度量，然后教师按照学生测出的数据利用3Done中的二维矩形通过拉伸以及抽壳完成一个小车车体，然后利用二维的圆形的拉伸抽壳完成小车车轮的三维草图，这个环节体验到一个已有的物体3D模型制作的流程，同时也锻炼了实物转换为三维立体的3D模型的能力.教师演示完毕布置学生利用二维图形拉伸成三维图形然后抽壳等3Done中的基础功能完成常见物体的3D模型的仿制，或者完成一定大小的矩形长方形，空心的圆柱等来熟练3D设计软件的应用.

课后教师将整理好的3D打印部分的学生使用手册分组发放（包括：3D打印套件的组成、3D打印套件的安装步骤、机械臂3D打印软件设置、打印前准备、测试挤出机 、调整打印间距、获取打印坐标），要求学生组内共同阅读后完成自主设计的简单模型的3D打印.

2.3 学生分组探究

教师组织学生根据第一阶段设计出現的连接问题以及如何改变夹角问题进行讨论，并统一利用螺丝和螺母固定来解决.分析各组设计的力的合成演示仪模型，教师引导学生根据框架进行分解成分力杆1、2（各2个），合力杆1、2、3（各1个），以及将各杆连接在一起的滑杆扣（1个），并在软件中完成各部分的设计（如图4所示），图中依次为滑杆扣、分力杆1、2，合力杆1、2、3.

要求各组内完成3D模型的打印任务后在实验室中选择合适的螺丝和螺母完成各部分之间的组装.

2.4 高阶活动探究

组织各组展示初步完成的可以分析大小相等、夹角不定的二力合成的作品，提出作品能够演示可改变大小的力的合成或者三个力的关系还可以进行定量分析的要求，可以引导学生改进3D模型增加原有3D模型的模拟力的杆上面位置不同的孔，来模拟改变力的大小（如图5所示）.

参考新教材中力的合成这一章节中“物理聊吧”模块对于平行四边形模型进行讨论，要求每组学生利用模型解释以下两个问题：

（1）合力的大小和方向怎样随两个分力之间的夹角改变而改变？

（2）合力是否总是大于分力？（引导学生比较图5中的三种情况下合力与分力的大小）大小相等的两个力在合成时有什么特点？如图6，将代表合力的杆放置于标记好的线上面，可以发现两分力杆与合力杆的夹角大小相等.可以说明：夹角越大，合力越小，并且合力始终在分力的角平分线上.

（3）同时鼓励学生组内讨论改进方案，更有利于提升学生解决问题的能力，使整个活动更加丰富，例如鼓励学生利用教育机器人的激光雕刻功能对已有教具雕刻出刻度.

2.5 作品展示与评价

分组汇报成果，并进行学生间的互评以及教师对于活动成品的评价.

教学设计：组织学生分别作为汇报组和评价组，汇报组对自己本组完成的成品以及完成的过程进行汇报，包括成品的特点优势等，评价组同学对汇报组的成品进行评价，共同探讨制作过程中遇到的问题以及解决问题的方法.教师针对学生的汇报以及成品进行完成度、制作过程以及汇报中表现等方面评价，评价从作品的美观程度讨论3D打印技术在个性化定制中的优势，共同探讨各组作品在大规模制造工程中可能会遇到的问题等.

3 结束语

以上课程设计是将STEAM教育理念与高中的物理实验相结合，同时涉及到机器人教育、3D打印以及激光雕刻技术等，围绕一个情景和主题，学生通过探究获得技能并且完成了与物理实验相关的活动，对于学生本身核心素养中科学思维的建立以及实验探究能力的培养都有促进作用，与物理学科相结合对于物理本学科的巩固与加强也能起到非常重要的作用.此外，对于学校和教师来讲，引进一些此方面有时代特色、有助于课程融合的STEAM教育的课程作为体现特色的精品校本课程，可以成为建立一个良好的、创新型的高中办学的重要路径;这类融合的STEAM教育课程在中学由某一现有学科的教师开展的过程中，教师必定要面对的问题就是专业知识的问题，势必促进教师自身业务水平的提高和专业的发展， 在培养学生的同时， 教师自己也学到了很多， 真正实现教学相长.同时，将STEAM教育灵活地与学科教学相结合也能为新时代的科技教育注入新的活力，对于STEAM教育在国内的进一步发展和普及也会有很重要的借鉴作用.

参考文献：

[1]向世清.STEM教育之来龙去脉[J].中国科技教育，2018（11）： 70-71.

[2]潘裕民.怎样的高中才算是一所好高中 探寻上海一流高中建设的创新发展之路[J].上海教育，2018（36）： 64-65.

[3]董泽华.如何建设一所成功的STEM高中？美国STEM高中的类型与建设框架述评[J].现代教育技术，2018，28（07）： 120-126.

[4]张成.基于STEAM的高中3D打印校本课程设计与教学实践研究[J].新课程研究，2018（09）： 33-35.

（收稿日期：2019-09-23）