STEM教育项目下初中物理科技活动实践与思考

黄灵万

【摘要】基于STEM教育项目下水火箭的制作与发射实践活动，从设计到实践、从实践到展示，阐述基于STEM教育理念，在初中物理科技活动实践过程中开展适合校情本项目实践，使学生在参与项目的过程中，引导学生用可乐瓶制作简易的水火箭，进行水火箭发射的实践活动，从而使STEM教育落地生根，真真正正地培养出创新人才。

【关键词】STEM教育项目;初中物理;科技活动

目前，STEM教育在粤西北地区发展处于刚起步阶段，学校的STEM教育存在以下两个问题：①缺乏专业的理论指导，对STEM 概念的理解不清、理论研究极度欠缺，无现成的教学标准和具体的教材内容，导致实践中出现盲目照搬套用現象等。②缺乏有针对性的具体活动项目支撑。目前的STEM教育活动中，学生真正动手动脑的机会很少，学生的创新精神和动手能力难以在实际活动中得到真正的提升，STEM教育缺少有效的实践操作支撑。因此，课题组研究团队的物理、信息技术、美术教师通过梳理本学科中的STEM教育素材，因地制宜地开展STEM项目科技实践活动。下面以“水火箭的制作与发射”实践活动为例，如何将提供一些数学、工程、技术融入物理（科学）课堂的一些思路和有效的教学手段，阐述怎样在物理教学中融合STEM教育，帮助学生发展科学、技术、工程、数学的综合素质，提高学生的科学素养。

一、项目简介

水火箭又称气压式喷水火箭、水气推进火箭，是利用废弃的碳酸饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼的火箭。瓶内注入一部分水，利用高压打气筒充入空气到达一定的压力后橡皮塞爆发，瓶内水和气迅速喷出，在反作用下发射升空，推动箭体冲向空中。水火箭的制作与发射原本是初中物理学科STEM课程的一个经典活动，但是由于中考压力，很少教师会利用物理课指导学生制作发射水火箭。而水火箭的制作与发射包含了设计所需经历的全过程：提出问题、方案设计、动手制作、发射试验、优化设计，成为初中物理学科STEM课程实践项目的一个不可多得的经典案例。在设计的实施过程中，努力以培养学生的物理核心素养，强调了学生动手参与制作，在制作中体验物理课本知识的应用，把知识贯穿在操作过程中，让学生学以致用。如，利用现有的物理知识引导学生进行水火箭的制作，学生合作设计架构、方案、装配图、尺寸大小，加强学生之间的分工和辅助制作，以提高学生们的设计及交流能力。通过思维导图流程的方式展示小组合作分工与环节对接，以提高制作与发射水火箭的效率。通过设计评价的知识，培养学生学会用文字或数据记录，确保整个项目能按照原计划顺利完成。通过分析发射水火箭试验失败的原因，引导学生提出新的问题，并进行思考，通过优化原有设计方案，及时解决现存的问题。培养学生有动手能力，可以让学生直观了解导弹，运载火箭的发射升空，回收的过程，使广大青少年了解航天科技，热爱航天科技，为国家航天事业培养、造就、输送优秀人才。

二、STEM项目的要素

从自然科学、工程、技术、数学等方面对水火箭的设计提出相对应的水火箭原型。项目围绕制作水火箭和发射，利用高压打气筒充入空气到达一定的压力后按启动，瓶内水和气迅速喷出，在反作用下发射升空，推动箭体冲向空中。

S（科学）：在“水火箭制作”项目中，要求知道力是改变物体运动的状态;知道空气对运动物体具有阻力;通过探究感知空气阻力的大小与面积、形状、速度有关;知道阻力能使物体减速;初步研究飞行中的水火箭冲击速度和高度，同时，在发射过程中避免造成围观学生的创伤;初步理解水火箭安全下落;能运用控制变量法对水火箭的面积、形状、箭头材料、箭长、箭重的选择进行研究。

M（数学）：能依据水火箭图片资料运用相似比估算箭头大小;制作箭头重量过，发射的角度。

T（技术）：能依据“放样”技术，合理裁剪、拼接材料达到节约原材料的目的;能依据材料强度选择合适的胶体粘瓶子技术，即能通过水火箭在上升过程不会脱落，更加牢固及防止缠绕;能仿制圆规原理画较大的圆。

E（工程）：初步学习水火箭制图技术，理解分工合作对于工程的意义，如，小组的领导协调、资料的收集、材料的保管、讨论和实验过程的记录、工程的设计、工具的操作、产品的制作等。

三、STEM项目下活动实践过程

1.建立小组，强调分工合作，加强学生的协作能力

STEM教育理念十分重视小组合作，强调学生在活动中要相互沟通，相互帮助，共同努力，完成小组任务;积极开展交流讨论，针对存在的问题共同想办法解决，分享收获的喜悦。因此，我们设计活动方案的过程中，把全班40名学生，每组4人，分成10个小组，注重小组合作，以小组为单位开展的科技活动，提高学生的交往能力和合作能力，让他们能深刻感受到集体的力量。

2.聚焦问题，提出任务

讲述并提问：从自然科学的角度提出水火箭升空需要什么样的动力条件？从技术角度出发提出水火箭的制作需要哪些材料？从工程的角度出发提出水火箭发射基座该如何设计、箭体形状如何设计等问题。从数学角度可以提出计算得出水与空气的比例达到最优的解是多少？

3.动手实践，增加文字记录，强化学生的科学表达能力

学生在参与科技活动中更喜欢动手实操，而忽视了梳理活动过程、记录活动要点与活动心得，比如，绘制设计图纸、记录活动数据、分析总结活动难点等，更不用说用规范术语进行记录和表达了。为了提高学生的文字表达能力，帮助学生反思记录活动中的问题和要点，教师在设计活动中，应以实验报告、学习单等辅助材料引导学生注意文字材料的积累，在填写技术报告中，注意科学表达。

（1）制作过程方法

依据原理图设计并制作有特色、有创意的小组火箭模型，突出设计成分，增加外观设计要求：符合“水火箭”项目基本要求，注重创新与创意，能体现火箭发展前瞻性，设计风格鲜明，色彩搭配合理，工艺制作精美等。

①小组内部有明确分工，每2人承包一项制作任务。

②取一个可乐瓶，去掉底部的一部分，留下上半锥体部分备用。

③再取一个可乐瓶，将备用的锥体套在其底部，用胶布粘牢。

④剪一个塑料垫板，制成圆锥体，套在备用的圆锥体瓶上，用胶布粘牢;取两个可乐瓶，截取它们的中部，将它们压平后剪出尾翼的形状，将尾翼与瓶体粘牢，安装要对称、牢固。

⑥给小组火箭模型起一个有特色、有创意的名字。

（2）进行实践，水火箭制作与发射试验

①发射水火箭场地——学校操场

②将火箭装在发射铁架台上，然后将气筒和气嘴接好，在保证绝对安全的情况下发射。

③尽量在无风的情况下，分别向水火箭中注入水火箭容量的0，1/4、1/3、1/2、2/3、3/4。

④试验后对相关数据和结果进行记录。对试飞结果进行评估，分析可优化项目并进行改正后回到阶段。

⑤学生（有相机的带相机），收集整理、反馈信息、资料。每小组发一份发射研讨问题，要求小组成员在发射时从实践中得出结论并安排专职组员做好记录，以备模型改进。

4.项目实施的收获与反思

活动项目结束时以小组为单位撰写工程报告书，内容包括：预期目标、施工图纸、技术数据、实验数据、实验结论、实验感想、参与者任务等。如，让学生撰写科技小论文，让学生完成水火箭的制作与发射的改进设计（包括提出改进点、改进原理、制图、预期等），结合学科对科学、技术、工程、艺术进行融合及落实STEM项目的有益尝试，使学生从调研、对比、设计、制作、合作、探究、交流、展示、分享等各个环节，锻炼学生跨学科的综合应用能力，发现问题和解决问题的能力。

总之，在物理科技活动中融入STEM项目式，重新燃起学生对科技活动的热情，激发了学生的参与兴趣和探究欲望。让学生体验整个设计制作过程，提高他们的动手、动脑能力和培养积极探索、勇于创新的精神。为了提高火箭发射高度，让学生学会分析优化设计方案，提高试验效果的科学工作方法，逐步提高学生的创造能力。通过开展物理科技活动将有力地引领、推动STEM教育实施，营造学校、社会、家庭高度重视的良好氛围。

责任编辑  梁国胜