动力学之无动力车

陈雷　董新军　那长明

摘 要：通过设计制作“无动力车”项目，学生在设计制作过程中体验物理观念、锻炼科学探究能力，培养学生的科学态度与责任.

关键词：STEAM;物理课例;无动力车;综合素养;科学态度与责任

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0032-03

随着教育改革的不断深入，新课程、新教材、新高考的落地实施已经是高中教育教学的首要任务，新课标将学生的“综合素养”培养摆在了重要的位置，如何开设能够培养学生“综合素养”的系统课程，成为广大教育工作者的重点工作.

所谓STEAM课程，是指由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）等学科共同构成的跨学科课程.它强调知识跨界、场景多元、问题生成、批判建构、创新驱动，既体现出课程综合化、实践化、活动化的诸多特征，又反映了课程回归生活、回归社会、回归自然的本质诉求.STEAM是一种全新的、多元化的、重实践的教育理念，符合新课标对学生“综合素养”进行培养的教育功能.

1 活动概述

动力学是高中物理课程的重要组成部分，在完成新课程、新教材必修二“机械能守恒定律”一章的基础上，笔者通过将国家课程校本化提出基于STEAM的动力学之无动力车项目，教师通过课堂教学手段引导学生运用所学知识设计制作“无动力车”，学生在设计制作过程中体验物理观念，锻炼科学探究能力，培养科学态度与责任.

2 教学目标

教师启发同学们运用本章所学知识解决问题，学生通过完成本节课的实践活动，主动建立动能、势能、机械能守恒等物理核心素养中的物理观念，学生在具体的实验探究中结合所学知识对实验现象进行合理的解释从而锻炼物理核心素养中的科学思维和科学探究的能力，通过小组竞赛和展示活动培养团队意识和合作精神，进而培养物理学科核心素养中的科学态度与责任并符合比赛规则和要求.

3 教学过程（见表1）

4 STEAM要素

4.1 科学原理

机械能守恒定律是动力学中的基本定律，在只有重力或系统内弹力做功的物体系统内，物体的动能和势能可以相互转化，机械能保持不变.机械能包含动能与势能，所谓动能，简单的说就是指物体因运动而具有的能量，表达式为Ek=12mv2，其中v是以地面为参考系的速度.势能又分为重力势能和弹性势能，物体由于被举高而具有的能叫作重力势能.重力势能是物体在重力的作用下而具有由空间位置决定的能量，大小与确定其空间位置所选取的参考点有关，重力势能的表达式为：Ep=mgh，其中h为相对于参考平面的高度.动能定理描述的是物体动能的变化量与合外力所做的功的关系，具体内容为：合外力对物体所做的功，等于物体动能的变化量.

4.2 技术难点

本活动课的“实施方案”环节，学生需自行设计实验方案，并自选器材，需要考虑实验器材的限制.

4.2.1 设计制作“重力车”

学生需根据所给器材设计实验方案，动手制作由重力势能转化为动能驱动的小车，并记录小车的实验数据.

4.2.2 设计制作“弹力车”

学生需根据所给器材设计实验方案，动手制作由弹性势能转化为动能驱动的小车，并记录小车的实验数据.

4.2.3 小组比赛

各组根据实际情况申请参加比赛并记录数据，学生现场完成的实物成果如图1所示.

4.3 工程应用

本活动中，学生小组要设计制作“无动力车”并填写实验数据记录单（见表2），设计控制变量方案，并运用所学知识进行合理解释.

4.4 数学应用

本节课综合考查重力势能、弹性势能、动能定理、机械能守恒定律、功能关系等知识，学生设计的数学表达式丰富多样，其中典型代表有

改进前：Ep=Ek=fx

改进后：Ep′=2Ek=2fx

4.5 艺术展现

本节活动课中学生除了需要设计制作小车以外，还需要设计小车的名称，说明寓意，制作宣传海报，这是展现学生艺术才能的好机会，进而培养核心素养中的科学态度与责任.

5 结束语

本节课是笔者学校物理教研室“项目式学习”系列课题之“无动力车”探索项目的能量守恒部分，本节课的设计背景是高中一年级学生在完成国家新课程、新教材必修二“机械能守恒定律”一章的基础上进行的，本节课基于“双新”背景创新设计，理论联系实际，结合哈三中学生主动学习能力强、综合素养较好的基础条件进行校本化处理，重点培养学生的动手能力和创新能力，为学生未来全面发展打下基础，满足学生终身发展需求.笔者以“全国大学生工程训练综合能力竞赛”为切入点，通过构思和设计呈现一堂“双新”背景下的全新的高中物理课堂，以加深学生对物理知识的体验和理解.在教学过程中，始终围绕新课标要求的物理核心素养这一中心，通过课堂教学手段引导学生运用所学知识设计制作“无动力车”，学生在设计制作过程中主动建立动能、势能、机械能守恒等物理核心素养中的物理观念，学生在具体的实验探究中结合所学知识对实验现象进行合理的解释从而培养物理核心素养中的科学思维和科学探究的能力，学生通过小组竞赛和展示活动建立团队意识和合作精神，进而锻炼物理学科核心素养中的科学态度与责任.哈三中物理教研室通过将国家课程校本化，对教材内容进行处理、拓展和延伸，使核心素养中关注的学生全面发展所需必备的品格和关键能力得到培育，物理学科的育人功能得以表达，本节课是哈三中物理教研室“项目式学习”系列国家课程校本化的一个缩影，不足之处是受场地、时长、器材等的限制.

参考文献：

[1]张海银，陈翠，陈敏华.STEAM高中课例精编（上）[M].北京：电子工业出版社，2021.

[2]许弘泽.基于STEAM教育理念下的高中物理教学设计[J].数理化学习，2020（12）：50-52.

[3]杨俊亚，郑卫峰.基于STEAM教育理念的高中物理活动课程的设计——以教育机器人打印力的合成演示仪为例[J].中学物理，2020，38（05）：31-33.

[4]許文龙.STEAM教育理念下高中物理实验设计 ——以Tracker探究单摆运动规律为例[J].中学物理，2021，39（05）：45-47.

（收稿日期：2021-08-06）

基金项目：黑龙江省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“开发以核心素养为导向的物理校本课程的研究”（ 项目编号：JJB1421009）.

作者简介：陈雷（1983-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，中学高级教师，研究方向：高中物理教学、学生管理.