新课改背景下STEM在中学物理教学中的应用

■ 西南大学科学教育研究中心 西南大学教师教育学院 邱雨茜

0 引言

在新课程改革的背景下,STEM教育理念将与中学物理教育不断融合。STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的简称,它几乎包括了科学、技术工程和数学的所有相关领域,甚至可以包含艺术等领域。从应用于中学物理教学的视角来看,STEM教育理念可以使得不同学科间的联系增强,物理学科与化学、数学学科联系较多,而与英语、政治等学科联系不多,STEM正好可以融合各学科的优势,使物理课堂更加有效;在教学方式上提倡学生积极思考,有创新精神,热爱物理。

本文探索STEM教育与中学物理课堂的结合。同时,本研究选择笔者教学过程中参与的STEM项目“魔力喷泉”“水火箭”“柠檬电池”三节课的内容进行分析与描述。

1 STEM的理论依据

STEM是科学、技术、工程及数学四门学科首字母的缩写,科学、技术、工程和数学四门学科的有机整合组成了STEM教育。科学是由实践检验并无限趋近真理的方法。技术就是关于劳动工具的规则体系,其目的在于提高劳动工具的效率性、目的性与持久性。工程是科学和数学的某种应用,它以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。数学是研究数量、结构、变化、空间以及信息等概念的一门学科。本文将STEM教育的概念做如下界定:STEM教育是一种关注不同学科的融合的创新教育理念,它以真实的案例为情景,以工程或者项目为媒介,促使学生提高核心素养,重视学生实践探究能力的提高。

2 案例分析

2.1 魔力喷泉

该项目是关于流速与压强,主要探究解决“为什么鲸鱼呼气时会形成喷泉”的趣味问题,与显示生活联系紧密,在通过学生学习了压强有关知识后,注重引导学生运用所学的知识去分析解释生活生产中的现象。瓶和吸管等都是学生日常生活中接触很多的的物品,旨在通过日常生活最常见的材料引导学生探究流速与压强方面的知识。充分体现了新的课程标准“从生活走向物理,从物理走向社会”这一发展理念,有科学探究与动手制作活动,体现了新课程标准“注重科学探究,提倡教学方式多样化”的主要特点,下面是实施的具体步骤。

2.1.1 问题的提出

(1)教师提问:为什么鲸鱼呼气时会形成喷泉?分小组讨论,讨论后每组派代表回答各组假设。教师简要分析,不给出最终答案。(2)教师展示:将瓶盖用电钻钻出一个洞后,在矿泉水瓶中装满水。盖好瓶盖,倒置,仅有几滴水流出。多次展示让学生观察现象,提出自己的猜想。教师在黑板上进行受力分析,引导学生在理论上得到结论。(3)提问:人是怎么喝水的?请学生自己尝试喝水的动作。

2.1.2 教具的制作

(1)向学生展示教具,请学生猜测喷泉产生的原理。(2)介绍实验器材与工具,讲解用具使用方法,强调安全性。其中器材包括两个透明的矿泉水瓶、两根吸管。工具有电钻、电烙铁、热熔胶。(3)讲解制作过程,强调制作顺序。预热热熔枪,5m in后将两个瓶盖面对面粘在一起,确保密封到位;用电钻在瓶盖内圈钻两个可以插入吸管的小孔;插入两根吸管,并将吸管减到合适长度;用热熔胶将吸管根部密封;分别在两根吸管根部用电烙铁烫个小孔;在一个矿泉水瓶中装满水,检测是否制作成功。

2.1.3 教师总结

解答为什么鲸鱼呼气时会喷水?原因是喷出的气体由于流速产生低压区,大气压将附着于鲸鱼身体表面的液体“压”向喷出气体的区域,形成了喷水景象。

2.2 水火箭

水火箭是一个利用质量比和气压作用而设计的玩具,同时是物理教学中著名的案例之一,可以培养学生对于物理学习的兴趣,而其中蕴含的物理原理是了解物理中力学的重要的基础。

在中学物理中可以应用,具体操作步骤如下:(1)取一个雪碧瓶,用美工刀、剪刀沿围绕瓶底的痕迹下3mm左右处剪下瓶底;(2)利用AB胶,将两个瓶子底部对底部垂直对接;AB胶凝固后,利用电工胶布缠绕接口处3～5圈使其固定;(3)撕下没有底部的瓶子的标签,将其剪成正好围绕瓶身一周,进行三等分;(4)利用马克笔画出另一个瓶子的上下边沿,撕下标签;(5)在底部完好的瓶子的瓶身上画三等分线;(6)在钓鱼竿包装盒上剪下3片边长为5cm的塑料片,同时注意留1cm的边缘;加工成上底3cm下底5cm的梯形形状作为机翼;(7)对边缘进行处理,使机翼稳定:沿中间剪开1cm,向两侧拨开;(8)利用双面胶将机翼分别粘在三等分线上,后用电工胶布对左右边缘和上下边缘进行巩固粘贴;(9)利用提前准备好的发射台,自行选定装水量和气压进行发射。

在课后,可以让同学们回顾制作过程,思考哪些原因会导致水火箭的飞行高度?讨论并总结影响因素。

2.3 柠檬电池

教师要先讲解相关的原理,柠檬电池里面的两种金属片的电化学活性是不一样的,其中更活泼的那边的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子,由于产生了正电荷,整个系统需要保持稳定。

在中学物理中也可以应用,首先准备制作材料,包括(1)导线若干;(2)0.2mm铜片一片,0.2mm锌片一片,0.2mm镁片一片;(3)柠檬四到六只,水果刀一把,剪刀一把,LED灯珠三颗,化妆棉若干,磨砂纸一片,万用表一个,水杯一个。

其次,具体操作步骤如下:(1)取一个柠檬,用水果刀沿柠檬表面切下外皮;(2)挤压柠檬,使柠檬变得软且出水,将铜片与锌片同时插入柠檬中,用万能表测出柠檬的输出电压与输出电流;(3)继续实验,找到能降低柠檬内阻的方案,比如增大接触面积,增加插入的深度,继续碾压柠檬;(4)将柠檬用挤压器榨汁,用杯子装好,并且将锌片换成镁片,之后将铜片与锌片同时插入柠檬中,用万能表测出柠檬的输出电压与输出电流;(5)缩短镁片与铜片的距离,将镁片用化妆棉包裹起来,之后用铜丝将镁片缠绕起来,最后将镁片与铜丝浸入柠檬汁中,用万能表测出柠檬的输出电压与输出电流;(6)进行检验,用小灯珠串联在柠檬电池上,点亮小灯珠。

在课后,可以让同学们回顾制作过程,思考哪些原因会影响柠檬电池的发电效果,讨论并总结影响因素。

3 实施建议

3.1 关注真实情景

真实情景在STEM教学中非常重要,可以说是判断这堂课能否合格的标准,真实情景对于学生来说,首先能帮助他们更快地进入物理课堂,还能激发学生的情感,吸引学生的注意力、兴趣,愿意投入学习,即在这个特定的情境下进行体验学习。其次是具体的情境有助于学生理解物理概念。例如当老师提问同学们是怎么通过吸管喝到水的时候,在同学头脑中就会构成一幅生动的画面,帮助学生理解物理知识。再次是在具体的情境中进行讨论,让学生“有话可说”,且“学以致用”。

3.2 培养探究意识

问题是驱动学生进行思考的关键,这就需要教师设计相关的问题,形成问题串。首先,教师可以台阶式设计问题,以问题驱动整堂课的进行。一节课效率高,就是教师设计问题,任务驱动,铺好台阶,学生动脑、动口、动笔,一个个解决掉教师抛出的问题。其次,启发学生解决问题,学生是主体每个教师都要控制自己的语言,尽量不说“听老师讲”“老师还有一种方法”,自己想讲的内容,启发诱导学生讲出来,才是高水平老师。

3.3 工程实施与评价

工程对于STEM教育来说非常重要,这涉及学生的实践。在教师对相关的问题讨论清楚之后,就需要学生对问题提出解决的方案,教师应对学生的方案进行点评,最终引导学生采用比较可行的方案。在这个过程中,不仅提高了学生自主设计方案的能力,也提高了他们的科学探究能力。

3.4 课堂总结

一般分为三类,首先是小组自评,教师引导学生从制作过程、制作结果等方面进行评价。其次是小组互评,根据互评量表对其他组同学的作品进行评价,引导学生有所选择进行评价,不必面面俱到,要突出重点,肯定优点,指出不足。再次是教师总评,教师对在实践中有创新的学生应予以特殊鼓励,全面综合评价学生的学习态度、实践能力,以及作品质量,抓住亮点予以表扬。最后是评出最佳作品。