基于STEAM理念的物理创客实验教学

李隆

摘 要：根据国务院办公厅发布的普通高中育人方式改革的指导意见，新课改中要求发扬“自主、合作、探究”的教学模式，而传统的实验教学只要求学生掌握书本给出的实验原理、实验设计和实验操作。通过一个具体实践从STEAM教育的角度，引导学生思考分析并设计实验，让学生真正做到“学中做，做中学”。

关键词：STEAM实验;物理教学;学习情境

一、物理实验教育可以转化为一种项目化的STEAM教育

首先，STEAM教育是在物理实验教学中融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）、艺术学科（Art）的教育。其次，物理实验教育是基于项目的学习，是以物理学科的概念和原理为中心，以制作物理实验仪器并利用物理实验仪器解决问题，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联问题的探究性学习模式。因此在STEAM教育理念指导下，以物理实验课堂教学为主阵地，以创新改良的物理实验仪器为载体进行物理实验教学是符合时代发展要求的教学方式的创新与改进。

二、STEAM教育是一种高效的情境化的学习模式

STEAM教育提倡在情境中学习，从真正意义上掌握所学的知识。基于STEAM理念的物理实验教学就是在物理实验构成的实际情境中，学生运用所学的知识来解决的问题。这种学习情境是任务驱动的，是学习者在分析讨论后形成的解决方案，知识和能力都是在互动的过程中生成，这就是一种高效的学习情境。它能够体现新课改理念、发挥学生的主体性、激发学生的学习兴趣。在这种教学模式下，学生在教师有效的引导下，自主合作学习变得具有可操作性，并能让自主合作学习成为学生一种自发的习惯。

三、基于STEAM理念的物理实验教学设计

1.引入环节，利用创客实验创设游戏情境，激活学生思维

我们使用创客实验来引入课题时，需要注意下面几点：实验现象是令学生惊奇的、故事化的实验情境，黑箱化的实验仪器，历史实验的重现等。例如：在“机械能守恒”这节课的引入环节教师就可以用一个巨大的铁球，从学生鼻尖处释放，但它返回时并不会碰到学生来引入。“伽利略对自由落体运动的研究”一课中，我们可以重现历史上的实验方法，让学生体会科学探究的过程。在“闭合电路欧姆定律”中，把电路隐藏，通过开关闭合影响灯泡的明亮度来引发学生的思考。在“电荷”这节课中，教师利用感应起电，用带电的橡胶棒接近带电小球，再通过学生手碰小球便可以控制小球是否带电通过小魔术实验来引入，可以让全场轰动。

2.新课教学环节，利用创客实验创设问题情境，引导学生思考提出实验要求，提升学生合作探究的素养

在新课教学环节，将教学内容合理设计，通过实验来提出问题，学生通过解决问题来学习知识获得能力。例如在探究安培力的大小和方向时，教师通过演示实验提出问题，让学生思考影响安培力大小和方向的因素。学生提出猜想后，设计实验去验证，通过初步的验证可以发现和电流的大小、磁感应强度、导线在磁场中的长度以及导线和磁场的方向有关。之后再引导学生讨论如何定性定量去研究这些影响因素和安培力的具体关系。教师最后展示一个可以定量探究的创客实验仪器，让学生体会其中的设计过程。

3.课后布置实验设计作业，开放实验室为学生提供主动学习的场所

课后学生可以到创客实验室研究制作创客实验，在设计的过程中，学生首先需要知道物理原理，这就促进了学生的主动学习。在设计制作的过程中，学生思考分析，可以深入理解物理知识，同时在动手制作的过程中提升学生设计制作的能力。整个过程是学生运用已学的知识，同时借助网络和老师，运用新知识来解决实际的问题。这对于提升他们的创新能力是一种非常有效的手段。

实验室还有教师制作的创客实验，学生可以欣赏分析其中蕴含的物理原理，了解其制作的过程，激发他们自己去制作自己去学习的激情。

四、基于STEAM理念的物理实验的具体实践

人教版《物理》选修“3-1库仑定律”这节内容的课本实验只有一个原理图，很难操作成功。因此我们进行了改进，设计了下面的实验方案来进行教学。

利用范式起电机作为带电小球，使铝箔环带上同种电荷，再加上暖灯的烘干，使得AB的带电量在一定程度上可以认为不变，从而可以定量研究他们之间的库伦力与哪些因素有关。实现了库仑定律的定量研究。

实验步骤：1.保持q1、q2不变，探究F与r的关系

（1）组装好实验仪器，接通电源，打开范式起电机和暖灯，让其运行几分钟时间。一是烘干器材，二是等起电机带点球的电量稳定。

（2）用铝箔环接触带点球，让其带电。调整细线以及AB间距离r的大小，使得x值比较大（但整个实验中θ一直保持较小，避免高度变化过大），同时AB处于同一水平面上。移动积木块，直到气球杆挡住铝箔环，记录数据。

（3）移动铁架台，改变r的大小，重新记录数据。填入下表中进行数据分析可以到点电荷间的库仑力与距离的平方成反比

qA、qB为A、B的带电量，r为A球球心到B的距离，F为AB之间的作用力

思考题：tanθ=      （用h、x表示）

带入F=mgtanθ可得电荷间相互作用力F=  ________

所以F1∶F2=      （用x1 x2表示）

2.保持距离r不变，探究F与q1、q2的關系

重复实验步骤2，记录数据，并用积木块记录下铝箔环的位置。接着用一完全相同的不带电的铝箔环去接触带电的铝箔环。接触后摆角减小，重新调整铁架台位置，直到铝箔环回到积木块记录的位置为止。读出x值记录数据。（由于接触带电的特点，接触后电量变为原来的一半）得到点电荷间的库仑力与点电荷的电荷量成正比。

用一不带电的完全相同的铝箔环接触后B带电量qB，变为_______

五、总结

物理作为高中科学领域中的一门重要学科，迫切需要我们去思考如何将STEAM教育的理念与物理教学有机地结合在一起，从而提高物理教学和学生的创造能力。通过物理创客实验，老师和学生都有了明显的进步，学生的动手机会多了很多，学习兴趣也提高了不少，喜欢提出问题，更喜欢靠自己去探索来解决问题，并且还有了不少的制作成品。老师在教学方式上也有了改变，不再是一言堂式的灌输，让学生从做中学，从玩乐中体验理解物理的知识。经过这几年的尝试，事实证明了学生并不缺乏发现问题的智慧，而是缺乏解决问题的意识和机会。因此，基于STEAM理念的物理创客实验教学是可行的。

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编辑 乔彦鹏