基于STEM教育理念的IYPT实验中学课外实践研究

李啸 唐学民

摘 要：STEM教育逐步进入人们视野，STEM教育旨在培养跨学科综合性且具有核心竞争力的创新型人才，以适应全球化发展.IYPT竞赛自2007年引入中国，是国际三大物理赛事之一，由于IYPT所涉及的17道开放题要求中学生分析、操作能力和团队协作能力极强，故在中学阶段有目的甄选难度适中、可操作性强、关联性强以及与实际生活情境紧密相关的赛题，让学生充分体验STEM课程理念，在教学活动中有意识、有阶段性培养创新型人才.

关键词：STEM教育理念;IYPT实验;课外实践

文章编号：1008-4134（2020）11-0023中图分类号：G633.7文献标识码：B

STEM教育诞生于21世纪初，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门教育学科的统称.其中，科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现对自然界的控制和利用、解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具.由此可见，科学、技术、工程、数学之间存在一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系，它们只有在交互中，在相互碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养学生各个方面的技能和认识.STEM课程重点加强对学生四个方面的教育：一是科学素养，即运用科学知识（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的过程;二是技術素养，也就是使用、管理、理解和评价技术的能力;三是工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解;四是数学素养，也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力[1].

IYPT全称International Young Physicss Tournament（国际青年物理学家锦标赛），也被称为“Physics World Cup”，是中学生国际三大物理竞赛之一，参赛选手为五名素质很高的中学生，要求对17道开放赛题展开问题建模、理论分析和实验操作并对实验结果进行评估，最后以视频、图片、论文和PPT等材料进行现场汇报，现场辩论比赛，整个过程不仅磨炼中学生团队协作能力、交流表达能力，而且提升学科素养和协同多方面知识解决实际问题的综合能力.由于IYPT竞赛以问题形式抛出，问题的解决分解为若干学习任务，团队参与到每个环节子任务学习中去，在问题解决过程中要求团队默契地沟通、表达交流并应用跨学科知识解决实际问题，这和STEM核心理念不谋而合.因此，在中学阶段有意识地开展难度适中、操作性强的IYPT实验能够促进中学生知识、素质和能力全面协调发展.

本文从实践层面以IYPT 2018年第5题“Drinking Straw”为例，提供一些如何将数学、工程、技术融入中学物理课外实践的思路和有效的教学手段，阐述如何在课外实践中融合STEM理念，帮助学生发展科学、技术、工程、数学的综合素质，提升学生的科学素养[1].

1 问题的提出

（IYPT 2018第5题）When a drinking straw is placed in a glass of carbonated drink， it can rise up， sometimes toppling over the edge of the glass. Investigate and explain the motion of the straw and determine the conditions under which the straw will topple.

（译文）当一根吸管放在一杯碳酸饮料中，它可以浮起来，有时会倒在玻璃杯的边缘.研究和解释吸管的动作，确定吸管倒伏条件.

2 实验操作及现象

如图1所示，先将吸管竖立插入碳酸饮料中，过一段时间发现吸管缓慢上升，最终倒伏在杯子边缘.

3 设计思想

为体现STEM教育的四个维度，根据参与课外实践活动学生的思维层次，特设定各领域具体任务目标.S（科学）：能够结合多方面理论，比如气泡成核长大理论、浮力知识、力矩平衡等理论;T（技术）：对气泡生长进行现象观察并测算气泡提供浮力大小.对吸管最大浮力进行实际测量，分析理论值和实际值之间的差别;E（工程）：通过对问题的全程参与，包括实验影响因素探讨、实验计划制定、实验变量确定以及计算模型设立等，在做任务中互相学习，在学习中完成任务驱动，对吸管倾倒条件的推导有更加具体、深入的理解，也能利用通解进行简单的吸管倾倒的判定与尝试;M（数学）：尝试利用初等函数、三角函数、几何画板或Mathematical等图形软件对吸管位移和时间关系、一段密封吸管位移与时间关系进行描绘.

4 实践情况

4.1 问题界定

吸管在上升过程中受力主要有：支持力FN、自身重力G、浸没区域浮力F浮、气泡附加浮力Fb、粘滞阻力F阻、摩擦力f.吸管上升过程缓慢，实验前首先将吸管竖直插入饮料中，松手后，由于吸管表面附着气泡，吸管在附加浮力作用下，一端沿着杯壁向上滑行，另一端逐渐伸出杯壁，吸管继续上升，大气泡脱离表面而减少，相应附加浮力减小，但吸管会伸出杯壁更长使得伸出杯壁吸管受到重力产生的角加速度变大.当吸管下端接近液面，受到液体表面张力阻止吸管的下端脱离液面，由于表面张力可以忽略，所以如果吸管已伸出杯子边缘足够长，吸管就会倾倒.

根据实验现象描述，参与实践学生对工程研究方向确定为从力的分析角度着手，研究步骤分为三个阶段：（1）气泡浮力大小与气泡长大的定性关系;（2）吸管运动状态分析;（3）修正吸管浮力为恒定值时（近似实际情况的修正）吸管动力分析.由于研究过程较为复杂，现筛选核心理论呈现如下.

4.2 工程实施

4.2.1 气泡形成机理推测

学生利用量筒内壁观察碳酸饮料（过饱和溶液）气泡在玻璃表面附着情况，发现在表面有缺陷的界面成核并形成非常细小的气泡，然后逐步长到一个临界值后脱离吸管壁上浮，如图2所示.为能从一个平面稳定地观察气泡的成核与生长，把吸管剖开得到塑料片，再用夹子夹平后放在表面皿中，底部用磁铁吸住夹子，尽量保持塑料片平整，中间画一个间距 10mm 的标记线，倒入碳酸水，观察气泡成核长大过程，如图3所示.小气泡布满吸管表面后逐渐变大融合;观察发现，气泡由小变大直至脱离吸管表面，吸管上很难产生新的气泡，将吸管皮取出后擦干再次放入碳酸水中，发现吸管表面重新附着大量气泡，排除碳酸饮料浓度降低因素，可以确定气泡形成机理是吸管缺陷内蕴含小气泡或大气泡作为凝结核.

4.2.2 气泡附加浮力测定

学生假设气泡密集型平均分布于吸管内外壁，将吸管竖直剖开后展成长方形，如图4所示.设气泡直径为d，气泡可看成边长为d的正方体（如图5），吸管最大浸润碳酸饮料长度为16cm，吸管直径为10mm，则吸管圆形边缘周长为31.4mm，气泡最大直径约为2mm～3mm，利用公式进行计算有

n=2×160mm×31.4mm2mm×2mm=2512

V=43π（d2）3=43×3.14×（2mm2）3≈4.187mm3

V总=nV=2512×4.187mm3≈10518mm3

F附加浮=ρ水gV排=103kg/m3×10N/kg×1.0518×10-5m3=0.10518N

而利用測量仪器实际测量吸管水下16cm处最大浮力仅为0.027N，这与理论计算0.10518N有差距，这是因为气泡生成并在吸管表面平铺并非密集状态，有时大气泡中也间隔存在小气泡，所以导致实测值小于理论值（如图6）.气泡随时间生长过程符合Scriven Equation：d=2βkt（d为气泡直径、β为尺寸系数、k为扩散系数），当气泡缓慢生长时满足公式：Fs=Fp+Fb（Fs为表面张力、Fp为气泡压力差、Fb为气泡浮力），当气泡增大到2mm～3mm时，浮力增大到临界值，气泡挣脱表面张力和其他阻力束缚，逃逸到碳酸饮料中.

吸管如果受到浮力较小，如图7所示，则在合力矩作用下会有顺时针倾倒趋势，根据受力分析发现，在吸管与杯壁和杯底接触处受到静摩擦力f1和f2作用，吸管表现出不会上浮，当吸管表面吸附气泡数量增多，浮力增大，吸管将会上浮，但上浮时会因为部分气泡脱离，浮力发生变化，吸管静止一段时间后再继续上浮，整个上浮过程浮力在不断变化，为了对数据进行有效分析，现需要修正浮力数值，对实验进行修正，在两个吸管外侧和内侧放置泡沫塑料，测得静浮力为0.009N和0.013N，忽略静摩擦力f、表面张力Fs和粘滞阻力影响，吸管长18cm，浸润液体长度设为L，如图8所示，建立x、y轴进行受力分析有

FN1cosθ=FN2

F浮+FN1sinθ=G1+G2

G1sinθ×18cm-L2=（G2-F浮）sinθ×L2+FN2cosθ×L

经过计算检验，静浮力为0.009N的吸管通过理论公式计算出的角度为60°，与图9中左图相吻合，静浮力为0.013N的吸管最终倒伏于水面.

整个实验研究发现，吸管要想倒伏于杯口，其条件与容器的内径、吸管的直径、吸管的材料、溶液的饱和程度、液面的高度等因素都有关系，实验的通解也是基于在实际情况下的理想近似得到的，因为浮力变化造成的不可测因素，学生创设出稳定浮力进行求解，得到公式，发现理论计算和实际情况相吻合，顺利实施工程研究.

T（技术）：在研究吸管倒伏问题时，吸管如何放置在碳酸饮料中？吸管的口径大小是否对倒伏有影响？选用水杯、玻璃杯还是烧杯？杯口的摩擦力是否会影响倒伏？杯中盛碳酸水量是否会影响倒伏？杯中碳酸饮料的新鲜程度或者说浓度不同是否会影响倒伏？吸管表面气泡大小随时间怎样变化？吸管的位移随时间变化是怎样的？吸管的运动状态究竟是怎样的？吸管受哪些力作用？在实施研究过程中需要涉及哪些理论、哪些测量器材以及应用哪些函数绘图工具，先进行哪一步探究再进行哪一步探究等等，对以上问题的思考能够培养学生的技术素养.

E（工程）：学生首先要明确问题研究的核心问题导向，就是对“气泡浮力”变量进行监测进而分析整体运动状态，学生通过有效研究气泡生长实验发现气泡的生长过程、气泡的分布比例等实际情况，然后利用测具监测气泡最大浮力，发现气泡浮力与吸管浸润长度正相关并模拟出吸管运动方程再进行线性拟合，通过修正气泡浮力最终发现通解和实际现象相吻合.这些都体现了工程学中从明确问题到制订方案、进行实验、优化改进实验的系统性步骤，培养了学生的工程素养.

M（数学）：在研究过程中，学生应用了吸管稳度计算方法，近似思想测量气泡浮力、计算机线性拟合研究气泡直径、吸管位移随时间变化关系、数学建模分析受力情况等数学方法，将实际情景一次又一次转变为数学模型进行分析与计算，这不仅提升了学生的数学素养和学科兴趣，也加快了学生解决工程问题的进度.

在探究吸管倒伏条件时，需要用到多学科知识进行协同解决，这里面很大部分都转化为数学模型进行建构和解决，可见科学与数学之间的联系非常紧密.

参考文献：

[1]陆卫兵.将STEM教育融入初中物理综合实践活动的教学——以学生进行简易密度计制作为例[J].物理教师，2019（05）：43-45.

[2]李梦丽.基于STEAM课程理念的IYPT实验探究[D].上海：华东师范大学，2019.

[3]陈威，吴英，梅杨.吸管在碳酸饮料中的运动[J].中小学实验与装备，2019（02）：20-22.

（收稿日期：2020-02-06）