基于steam理念的高中跨学科课程的开发与实施

杨恒

摘要：基于理科综合课程实验课程的开发，利用手机内置传感器进行数字化实验进行了尝试。以“探秘电池的奥秘”为例，展示物理、化学跨学科课程的设计思路，并进行尝试。

关键词：steam理念﹐手机内置传感器﹐跨学科课程

中图分类号：G4 文献标识码：A

为了提升高中生的学科核心素养，尝试在物理、化学等学科开发了一系列跨学科解决实际生活问题的课程，跨越不同学科进行知识建构与学习迁移，激发其创造力。[1-2]。

“探秘电池的奥秘”以电池的发展历史作为主线，结合同學们实际生活中遇到的与电池相关的问题，认识电池的分类，设计出最优化的原电池，探究能源利用最大化以及环境保护。通过这样一系列的活动，贴近学生的日常生活，使学生有能力通过探索来解决问题，在动手实践中实现知识建构，让学生通过跨学科学习看待问题的视角更加多元化[3]。

一、问题提出

“探秘电池的奥秘”主要涉及了物理和化学两学科的知识。在跨学科设计整体思路的基础上，首先尊重各学科本身的学科特点，以分科教学为基础，降低老师教学和同学学习的难度。其次，通过“探秘电池的奥秘”这一主题的联结，引导学生从多维度理解“电池”，让其看待问题的视角更加多元，在遇到复杂问题时，能够提出创造性解决方案，让电池优化方案更加科学合理。

二、跨学科设置探索过程

我们先在分科学科教学中渗透研究性学习方式，解决基本的学科概念问题。我们再通过跨学科主题探究的方式，从分科教学的知识组合推向深层概念形成，让学生学会学习。跨学科学习在学习的过程中都会涉及到更多元化的学习方式，比如个体的独立学习，合作学习等方式，因此，提供必要的学习指导和任务驱动，是支持学生开展有效学习和探究的重要保障。

三、课堂探究

以“探秘电池的奥秘”为主题，设置制作原电池、点亮小灯泡、测量原电池的电动势与内阻、优化原电池、认识不同的电池五个任务驱动学生推进学习。

（一）制作原电池

布置任务：准备不同材料作为电解液和电极，自制原电池，利用手机内置传感器、phyphox和ESP32测量电压。学生分别往容器中倒入可乐、食用油和牛奶，然后将锌片和铜片插入插槽中，完成了三节不同的原电池的制作。用导线将金属片与ESP32相连，利用手机传感器测量不同电解液制作出来的原电池两端的电压。让学生认识到不同的电源，在不接用电器时两极间的电压一般不相同，它反映了电源本身的一种性质。

（二）点亮小灯泡

学生在已经学习过原电池的原理，在初中物理学科中也已经学习过闭合回路中有电势差可以形成电流，但是没有把二者实际联系起来。用可乐电池接上一小灯泡时，灯泡不亮。这是为什么呢？这引发了思考：为什么有电压，也形成了闭合回路，但是小灯泡不亮﹖

用牛奶电池接同一小灯泡时，灯泡却亮了。可乐电池的电动势较大，但能使灯泡发光的却是电动势较小的牛奶电池。这又是为什么呢？

进一步进行分析，发现核心问题是原电池存在内电阻。然后通过手机传感器对原电池进行测量分析，构建电源内阻的知识，，从而发现灯泡不亮的关键问题所在：路端电压不足。

（三）测量电源电动势和内阻

学生需要通过跨学科的知识来思考优化电池的方法。例如从（化学学科角度）影响化学反应速率的因素考虑溶液温度、溶液浓度等，又例如从（物理学科角度）影响电阻大小的因素考虑两极板之间距离、两极板的正对面积、溶液的电阻率等。然后分小组分别验证各个方案的可行性。

为了降低学生的探究实验的难度，将开放实验室，提供不同的实验仪器，学生在实验探究过程中可以直接到实验室取用，这样不但大大降低了学生准备实验仪器的难度，而且使得“测什么、怎么测（即测量什么物理量、选择哪种实验器材来测量该物理量、应该如何测量）”这个实验设计的关键环节也成为了学生必须自主完成的一部分，可以培养学生实验创新能力

（四）原电池优化

根据上个环节不同方案的实验得出的数据，分析实验数据可得：电源电动势随着温度的升高而小幅度降低，电池的内阻也随着温度的增高而下降，因此冬天的电池内阻会增大。随着电极间的间距增大和横截面积减少，电源的电动势和内阻都增大。此时，老师可以引导学生尝试理解能斯特方程（化学学科）或者电源和电阻的串并联问题（物理学科）。

接着从技术方面考虑电池的电动势、内阻、容量、耐用性与价格成本等问题，将电池性能数据优化到最佳。这不但锻炼学生的技术设计思维，而且还可以引导学生批判和质疑数据的合理性，引导学生科学研究没有灰色地带，数据造假是科学不端的行为，要坚持实事求是的科学精神。

最后，教师引导学生如何正确使用电池，最大地发挥电池的功效，延长电池的寿命，探究能源利用最大化以及环境保护。

四、教学反思

“探秘电池的奥秘”是基于STEAM理念进行跨学科教学，主要学习物理、化学两个不同的学科关于“电池”这一相同的概念但不同的知识点，以信息技术学科为辅助，以原电池为线索，培养学生对跨学科知识之间的关系的把握和协调，通过统整不同学科知识之间的联系，促进学生从多维度理解和学习“电池”的知识。

参考文献

[1] 教育部考试中心.中国高考评价体系[S].北京：人民教育出版社，2019.13—31

[2] 教育部考试中心.中国高考评价体系说明[S].北京：人民教育出版社，2019.32—34

[3] 陈彩霞，董亮，朱雪梅.地理与历史跨学科“交互协同”教学模式的探索——以“祖国的首都——北京”（第一课时）为例[J].中学地理教学参考，2016（1）.6-12

[4] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书化学必修第二册[M].北京：人民教育出版社，2020.31—58

[5] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书化学选择性必修1[M].北京：人民教育出版社，2020.93-100

[6] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册[M].北京：人民教育出版社，2020.78-93

本论文是佛山市南海区教育科学“十三五”规划年度重点课题《基于手机内置传感器的高中物理实验校本课程开发与实践研究》（项目编号：NH2019007）和广东省教育科研“十三五”规划年度教育科研重点项目《STEAM理念下基于手机内置传感器的高中理科实验项目的开发与实践研究》（项目编号：2020ZQJK021）的研究成果。