基于STEAM的高中物理核心素养培育——以“桥梁模型创意赛”为例

陈荣天

（福建省德化第一中学，福建 泉州 362500）

物理学科核心素养培养目标下，教师以实践活动为载体，促成学生物理观念的凝练、科学思维的养成、实验探究能力的提升和科学态度与责任的形成，是物理教学改进的思路之一.桥梁模型创意赛是提升学生物理学科核心素养的一种实践路径.而STEAM教育是当前国内较为活跃的教育方式，它强调学习者在工程问题解决过程中，对科学、技术、工程、艺术及数学学科的综合应用.［1］可以说，STEAM教育与物理学科核心素养在学生培养目标方面是不谋而合的.

当前，物理学科教学中，依然存在理论与实践结合不够紧密的困境，如何灵活而有效地将纸上习得的物理知识转化为实际问题解决的良方一直是物理教学的关键.近年来，学校积极开展校本课程、研究性学习、创客等实践活动，旨在让学生通过“做中学”，以实践经验为依托，形成对理论的感性认识，让理论与实践反复交融，进而迸发问题解决方法之灵感，真正提升物理学科素养.那么，教师如何在实践活动中具体落实物理学科核心素养的培养成为问题的关键.

2021年1月，笔者指导了以解决桥梁承重问题为背景的桥梁模型创意比赛，并全程带领一支队伍参赛.本次活动是高中物理学科核心素养培育的一次探索.现以这场“桥梁模型创意赛”为例，探索如何在实践活动中结合STEAM教育理念培养学生物理核心素养.

1 凝炼工程问题 整合物理观念

1.1 凝炼工程问题

本次比赛以一则国际新闻为背景：2020年4月意大利托斯卡纳区的一座公路桥发生严重垮塌，垮塌时桥面有两辆货车在行驶，所幸仅有2名人员受伤无生命危险.此次比赛以该新闻为背景，向学生强调在实际生产生活中桥梁的建造需要综合考量荷重能力和安全因素.由此如何设计和建造一座荷重能力强且安全性能高的桥梁成为本次比赛的主题.

1.2 整合物理观念

本次比赛的参赛对象为高二年级学生，要求以班级为单位报送参赛作品，规定桥梁模型的制作材料为：统一提供的A2硬卡纸2张、冰棒木棍20根、胶水若干（不限种类），模型制作时间约为1个月，比赛当天要求学生提交桥梁模型、桥梁设计书（包含设计构思、模型设计图、制作工艺、创新与改进），并推选1名代表进行现场汇报和答辩，最后由5名教师组成的评委团当场测量桥梁荷重比与挠挎比，按照评分细则对各项考核标准进行打分，取平均分作为参赛队伍最终成绩.

桥梁的承载量决定了桥梁的交通运载能力，承载量又与荷重比有关，桥梁的安全性能更是桥梁设计的关键点，而桥梁的安全性与桥梁挠度、挠挎比等紧密联系，这些多数为工程力学中的概念，对学生来说是全新的、未知的.因此，指导教师如何引导学生灵活运用所学知识与技能进行建模分析，尤为关键.例如，为了提升桥梁的荷重比与挠挎比，可以构建静力学的力矩平衡模型进行分析；为了提升桥梁的交通运载能力，需要学生调用物理学科中的运动观念、相互作用观念以及能量观念等.通过本次活动，学生的物理观念得到极大提升.

活动以班级为单位，学生团结协作.在模型建构、科学推理、科学论证、质疑与创新等过程中，将先前的理论知识进行应用与实践.表1是对参赛设计书的整理，为了尽可能再现比赛原况，表中的陈述均直接摘录学生递交的桥梁模型设计书原文（表中作品顺序即为成绩排序）.

表1所展现的是学生关于桥梁设计的思考.从中我们不难发现，学生对桥梁的荷重比、挠挎比等关键因素有着较为全面、深入的理解.桥梁设计思路充分体现了学生的物质观、相互作用观等物理观念.这些初步的物理观念正是他们运用理论知识解决桥梁模型设计这一实际工程问题的前提，在模型设计和制作过程中为其提供具体的科学探究途径，为问题解决保驾护航.经历这样的实践探索过程，学生对所学的理论知识有了感性的认识，对工程问题关键点的把握有了生动的体验，这些经验有助于物理观念的凝练.

2 把握科学思维 挖掘技术重难

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是分析综合、推理论证等方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验、修正，进而提高创造性见解的能力与品格，包含模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.［2］从所收集的桥梁设计书中，我们看到，一方面，多数参赛小组在桥梁设计前进行了资料收集，基本了解现有的几种桥梁结构类型，并对各种桥梁结构类型进行深入分析、归纳其优劣势.在所提交的8组作品里，有5组作品采用了混合型构造，这充分说明学生在设计构思这一环节，能从工程和物理的视角对桥梁的分类与本质进行认识，然后通过综合分析设计出一种符合比赛规则所要求的高荷重比、低挠度比的桥梁模型.另一方面，学生在具体模型细节的构思中，还融入了不少衍生学、化学、结构力学等，来克服技术层面的难点.例如：第1组发现单纯硬卡纸的强度有限，但是利用α-氰基丙烯酸乙酯进行表面处理时，其刚性强度将大幅度增强，原因是α-氰基丙烯酸乙酯渗透到硬卡纸中发生加聚反应，生成更坚硬的聚合物，从而使得硬卡纸形成“甲壳”；第2组为了增加桥梁承重性，桥面材料使用波浪瓦楞纸，由于瓦楞纸面特殊的折叠方式可以将其上表面受到的压力通过夹角约为60°的三角形受力面传递至下方，从而进一步增加承重力；第7组受蜂巢的建造启发，桥台由108个正六棱柱构成，使得桥体结构更加紧实等.以上关于技术方面的应用案例只是参赛学生集思广益的一小部分，却将学生在解决问题过程中所拥有的开放而富有创造力的科学思维体现得淋漓尽致.

3 研磨设计方案 落实科学探究

科学探究是指基于观察和实验，提出物理问题、形成猜想和假设、设计方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流等要素.［2］从学生的设计书中我们看到，参赛学生们关于桥梁模型的设计构思环节，不仅在前期的资料收集环节有着十分深广的研究，而且对于新式桥梁模型的设计更是有着极为大胆的创新尝试，然而并不是所有的灵感和理想都能顺利地落于实际.据各参赛小组的指导教师反映，学生们在把纸面的理论知识应用到实践环节时，常常会因为客观条件缺乏或主观能力有限等原因，而无法达到预期效果.因此，在现场答辩环节中，评委教师有意向学生提出这样一个问题：“在模型的实际制作过程中，有没有哪些最初设想是你们没有达成或很难达成的呢？若有，请谈谈主要原因”.这个问题的背后实则蕴含着对学生是否具备科学探究能力的检验.从现场答辩环节中来看，我们发现几乎每组参赛学生都在模型的制作过程中遇到与构思存在偏差的难题，却仅有2组参赛学生坚持反复试验，最终解决了困难.例如：第1组参赛学生利用悬索塔内部的5个定滑轮来改变悬索塔受到的拉力方向，而如何根据具体的模型结构对这5个定滑轮进行空间排布，达成既保证绳索受力未超出其弹性限度，又使最终的合力方向竖直向下的效果，却需要制作者通过多次的尝试组合反复调整才能完成.从模型实物以及答辩学生的阐述中获悉，该组学生经历了近20种方案的尝试，才最终确定滑轮的组合方式，达成预期效果.然而，8个队伍中还有另外6个参赛小组未能顺利解决他们在制作过程中所遇到的问题.通过赛后的访谈调查得知，大部分学生先前的科学探究经验较少，因此在遇到技术难题时，无从入手，他们对于证据的提炼、模型的建立、物理现象的解释等具体要素的把握还有所欠缺，这一方面是指导教师在今后的教学与指导实践的主要方向.

4 形成科学态度 树立社会责任

科学态度与责任是指在认识科学本质，认识“科学·技术·社会·环境”上，逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感，主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素.［2］本次桥梁模型创意比赛，指导教师在多个环节中注重指导学生认识科学本质，培养学生的科学态度，树立学生的社会责任感.首先，在文献整理环节，指导教师要求学生调研整理国内外桥梁结构类型，并着重分析不同桥梁结构的力学原理以及它们所适用的生产情境和自然环境背景等，这点在各参赛小组的计划书中有直观体现，如：有的小组利用图片和表格进行归纳，还有的小组利用思维导图的形式进行梳理.这一换节中，学生们体会到了桥梁对于道路运输的巧妙作用，感受到了桥梁建筑历史的发展进程，更体验了认识科学本质的具体过程.其次，在模型制作环节，为获得高荷重比、低挠挎比的桥梁模型，学生们在指导教师的引导下，对于桥梁零件的细节调整力求完美，通过无数次尝试和实验最终使模型达成最理想状态.例如：第5组参赛学生为了获得更高的荷重比，几十次调节桥梁顶端与桥跨链接的绳索角度、长度以及桥底支架的高度、间距，反复进行实验验证，最终才确立了模型细节.最后，从现场汇报环节中，我们可喜地看到了学生们强烈的社会责任感，如第3组参赛作品名为“榕龙桥”，其设计初衷是为了致力于家乡的交通运输，在桥面中间设立的护栏内填充了特制的填充物，这样既可以在夜晚的行车过程中隔绝对向车道车辆的远光灯，还可以在发生事故时提供缓冲，这个作品不仅体现学生的社会奉献精神，还体现了学生对安全问题的细致考虑；第7组作品为一体两桥，预计建于渔村，上桥面名为“渔乡”，下桥面取名为“比弗洛斯特”，意为通往天国，彩色六棱柱体可以是巨大风口或磁体，将下桥面的车辆托起通行，该桥梁并没有对现实中桥梁形式进行模仿，而是对未来桥梁的想象和思考.教师通过比赛的各个环节，注重培养学生充分认识科学本质、利用技术积极解决问题、形成社会责任感以及改变世界的使命感，从而学有所用、学以致用，真正彰显物理学科的育人价值.

5 结束语

高中物理教学中，学生往往缺乏对物理知识的感性体验.因此，学校教育若能在完成课标任务之余多多开展相关实践活动，教师在此中担任好引导者的角色，为学生的科学探索保驾护航，帮助学生克服困难，达成目标，那么学生才有机会将纸上得来的知识通过一系列复杂和反复的实践活动将其验证和升华，［3］从而促成物理核心素养的提升.

STEAM教育的核心是锻炼学生的动手能力，让学生通过亲身体验，深刻领会科学与真理.本次的“桥梁模型创意赛”，以时事新闻作比赛背景为问题的提出创设了情景，前期凝炼工程问题，明确荷重比、挠挎比是作为衡量桥梁工程的重要指标，建立物理模型，强化物理观念，学生获得了扎实的理论知识，它们是模型创作整个过程的生长点.通过亲身体验桥梁模型的设计、制作、改进等过程，既得到了对桥梁设计的感性体验，也获得了自身综合素养的实质提升.现场展示和答辩环节，不但锻炼了学生的临场表达能力，评委教师对桥梁模型提出的批判与质疑，更是进一步引发学生的反思与改进.

物理学科核心素养与STAEM教育的关键在于提高学生的综合能力.一方面，本次桥梁模型创意比赛，不仅对学生的科学探究与科学思维素养有着较明确的培养环节设置，而且在现场展示和答辩环节中，学生利用科学知识解决工程问题的能力和勇于质疑的精神也有良好体现.另一方面，我们也看到了当前学生的科学探究能力较为薄弱，多数学生具备发现问题的能力，但却只有少数学生能解决部分实际问题.因此，对于物理教师而言，应当继续做好引导者和辅助者的角色，鼓励学生大胆提出猜想，勇于创新，借助所学知识解决具体问题，不怕失败，勇敢尝试，大胆而灵活地将知识运用到实际生产生活中去，［4］从而实现STEAM教育的真正意义，进而提升物理学科核心素养，成为21世纪具有竞争力的人才.