渗透STEAM教育理念的高中物理课堂教学①——以“静电的防止与利用”的教学为例

龚文超

（浙江省义乌市义亭中学，浙江 金华）

一、STEAM教育理念应用的必要性

物理学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理核心素养与STEAM教育理念是统一的。STEAM教育可以让学生更深刻地认识与物理有关的科学、技术、工程、艺术、数学等问题，有利于学生形成科学思维。STEAM教育注重培养学生的创造性和自主性，引导学生在实践中发现问题、探究问题和解决问题，养成严谨的科学态度与责任。因此，将STEAM教育理念引入物理教学中，有助于提高学生的物理核心素养。

二、融入STEAM教育理念的物理课堂教学“困境”及解决方式

（一）遇到的“困境”

1.在时间安排上的“困境”

高中物理课堂教学时间紧、任务重，而STEAM教育基于问题和项目来开展学习活动，在学习过程中需要从真实的情境中提出问题，经历模型构建、方案设计、项目制作、成果展示、交流评价等环节，需要大量的时间。课堂教学中既要完成常规的教学任务，又要完成某一个项目，时间上“捉襟见肘”。

2.在学生能力上的“困境”

高中生虽然已经具备了一定的观察、思维和应用的能力，但也存在动手能力不足、缺乏生活经验、不会使用各种工具以及缺少创新能力等问题。

3.在材料准备上的“困境”

STEAM教育的项目制作需要各种各样的器材和材料，这些“非标准化”的器材和材料需要自行选择和准备。同时，选择何种材料和器材又与设计的方案息息相关，给课堂增加了不可控的因素。

（二）解决的方式

1.完善课前的准备工作

课前应做好充分的准备，如完善项目的设计方案、选择合适的材料等。材料应具备易得、易加工、便宜、安全、效果显著等特点。

2.合理安排课堂教学内容和时间

在课堂教学中，项目的开展应服务于本节课的内容，应将重点放在基于本节课的原理上进行方案的设计。教师要做好引导，设置合理的问题，降低学生设计的难度，使学生通过讨论和思考逐步形成较为完善的设计方案。项目制作、成果展示、交流评价等环节可进行部分删减，留待课后完成。

3.开展课后的设计制作评比活动

一堂课的时间很难完整地完成一个项目，即便在教师的引导下学生完成了设计和制作，也存在设计方案单一、学生未能充分参与、制作的成品粗糙等问题。因此，教师有必要开展课后的设计制作评比活动，发挥学生的主观能动性，使其通过合作交流、方案改进、艺术加工等完成制作。教师就成品的材料、性能、外观、结构等几个方面进行评价。

4.组织开展社团活动

学生动手实践能力、创新能力的培养并非一朝一夕可成，组织开展科技创新类的社团活动有利于学生能力的培养。

三、融入STEAM教育理念的“静电的防止与利用”教学设计

（一）教材分析

本节课旨在提高学生综合运用电学知识的能力，加强学生联系生活并解决实际问题的能力。教材内容可以归纳为1条主线、2个知识点、2个应用、1类拓展（图1）。

图1

（二）学情分析

学生已经学习了电荷、静电力、电场、电场线等电场的知识，具备了综合探究静电现象的知识基础。同时，高二学生已经具备了一定的实验探究能力和实验设计能力，但将物理知识与生活相结合并解决实际问题的能力较为薄弱，且缺乏动手能力和创新能力。

（三）教学过程

1.情境激趣导入新课

情境导入：

观看一段精彩的“闪电秀”表演：利用特斯拉线圈制造出高压电弧，表演者身穿金属衣进行表演。

提出问题：金属是导体，为什么穿上“金属网”反而不怕电呢？这种“超能力”背后有什么物理规律呢？

2.建立模型探寻规律

建立模型：用匀强电场代替特斯拉线圈产生的非匀强电场；用不带电的金属板代替金属衣。利用模型构建，把复杂的实际问题抽象成物理模型：匀强电场中的金属导体。

对导体内部电场分布的研究需配合PPT动画进行分步演示。利用问题链引导学生深入思考，逐步递进，追寻静电感应的动态变化过程，引导学生经历抽象、分析、归纳的过程，逐步得到导体的静电平衡状态。

模型应用1：静电屏蔽

提出问题：处于匀强电场中的金属导体内部场强处处为零，若在导体内部挖出一个空腔，空腔内部场强为零吗？若将金属导体换成金属网，内部场强为零吗？处于非匀强电场中的金属导体内部场强是否也为零？

演示实验1：隔空点亮节能灯

打开辉光球，教师手拿节能灯靠近辉光球，让学生注意观察实验现象。

总结：辉光球的原理与特斯拉线圈类似，都能产生高压，形成电场（非匀强电场），电场可使节能灯内的惰性气体电离而发光。

演示实验2：金属网屏蔽

步骤1：将节能灯放入透明的塑料瓶中，靠近辉光球，观察实验现象。

步骤2：将节能灯放入致密的金属网中，靠近辉光球，观察实验现象。

步骤3：分次抽出金属网中的金属丝，使金属网变疏，再靠近辉光球，观察节能灯亮度变化。

归纳总结：导体壳（金属网）可以保护里面的区域不受外部电场的影响，导体壳（金属网）内部场强处处为零。因此，本节课开始的“闪电秀”表演中，金属衣里面的人是安全的，我们把这个物理现象称为静电屏蔽。同时，处于非匀强电场中，导体壳（金属网）内部场强仍为零，说明处于非匀强电场中的导体也处于静电平衡状态。

联系生活实际：举例静电屏蔽在生活中的应用。

（1）屏蔽线：用金属网状编织层把信号线包裹起来的传输线。

（2）电子仪器的屏蔽：电脑主机箱外壳为金属。

（3）金属网屏蔽：高压带电作业的工人穿戴的工作服，是用包含金属丝的织物制成的。高压输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来，以免遭雷击。

模型应用2：尖端放电

提出问题：前面我们通过理论分析得出了静电平衡状态下的导体电荷分布在外表面，即导体内部净电荷为零。我们能否通过一个实验进行验证呢？这些电荷在外表面是均匀分布的吗？你能否设计一个实验方案来检验探究电荷的分布情况？

提出实验方案：利用带有绝缘手柄的金属球，分别与金属空腔内壁及外表面的不同部位接触，再与验电的金属球接触，观察金属铂片是否张开及张开的角度大小（图2方案1）。

提出问题：该方案确实能够检验金属空腔的电荷分布情况，但需进行多次操作。在多次的接触检验过程中，金属空腔的带电量减少，导致金属铂片的张角变小，影响对电荷分布状况的分析。能否对上述方案进行改进，使实验更加简单、直观？

方案改进：直接将金属铂片贴在金属空腔的内壁、外表面的平坦部位及外表面的尖端部位（铁钉），利用感应起电机使金属空腔带电后，观察各金属铂片张开的角度（图2方案2）。

图2

现象：金属腔内壁金属铂片不张开，外表面两组铂片均张开，且尖端部位金属铂片张角较大。

归纳总结：静电平衡时，导体内部没有净余电荷，电荷分布在导体的外表面，并且导体外表面越尖锐的位置，电荷的密度越大。

过渡：尖端部位电荷密度大会引起什么样的结果呢？我们先来观察一个实验现象。利用马克思发生器形成高压脉冲来模拟自然界的闪电现象。

演示实验3：模拟闪电的危害

在两金属极板间放入用亚克力板制作而成的“房子”，再在房子中间放入蘸有酒精的棉花，打开开关，高压产生的“闪电”使棉花燃烧。在房子中间放入通电的LED灯珠，打开开关，“闪电”使灯珠熄灭。

提出问题：通过实验，我们观察到闪电的危害很大，如何才能避免雷击呢？

演示实验4：模拟避雷针的作用

在两金属板间再加入一根由铜丝制成的避雷针，打开开关，观察到只在避雷针和“云层”之间发生放电，房屋得到了保护。（见图3）

图3

提出问题：为什么放入避雷针后，“闪电”不再击中房屋而总是打在避雷针上呢？观察生活中的避雷针，它有什么样的特点？

多媒体动画演示：尖端放电的实质——空气电离。

联系生活实际：举例尖端放电在生活中的现象及应用。

（1）避雷针：多媒体展示各种形状的避雷针。

（2）电子点火器：煤气灶、打火机。

（3）高压输电线的表面要打磨得非常光滑。

（4）干燥的冬天不要用手指尖去触碰金属把手。

3.拓展应用联系生活

通过多媒体播放空气污染及工厂烟囱排放有毒有害气体的图片，提出问题：烟囱中排放的气体含有大量的细颗粒物，它能较长时间悬浮于空气中，是造成空气污染的重要原因，危害人类的身体健康。我们有必要对排放在空气中的细颗粒物进行处理。说说你有什么样的方案。

学生提出方案：利用细密的金属网罩、吸尘器等，并对方案的可行性做出评价。

通过本节课的学习，你能否利用以下资料设计和制作一个简易的除尘装置？

资料1：空气在强电场作用下发生电离，电离后的正离子质量较大，不容易被尘埃吸收，而电离后的自由电子质量小，容易被尘埃吸收。

资料2：强电场可以由高压来产生。

设计制作一个除尘装置难度较大，搭建问题阶梯，用一个个小问题引导学生逐步完善设计方案。

问题1：是否可以在烟囱内设置一个高压电场，使空气电离？利用静电除尘？

问题2：如何形成高压电场？两极板用什么材料？

问题3：空气电离后尘埃带什么电？

问题4：带电的尘埃如何运动？最终会吸附在哪个极板上？

问题5：负极板是否起到了吸附的作用？如何提高装置的吸附效果？

学生活动：根据生活经验和物理知识，在教师的引导下解决发现的问题，逐步优化设计方案。

教师展示书本中的静电除尘装置原理图（见图4），学生观察该原理图有何特点，并思考是否可以在此基础上继续扩大吸附面积。

图4

学生：可以在烟囱中间放置一根金属棒，烟囱内壁放置金属板，使金属棒带负电，金属板带正电，使吸附面积最大化。

成果展示：教师点燃烟饼放入除尘装置底部，产生大量的烟雾。接通高压电源后，烟雾瞬间消失。除尘效果明显。

四、结语

STEAM教育体现了融合思想，关注实际的现象与问题，相对于传统的课堂教学，其更能体现“培养全面发展的人才”的时代要求。本文尝试将STEAM教育理念融入课堂进行教学设计，以期为其他教师开展STEAM教学提供参考。