从STEAM教育到初中物理跨学科实践活动

林晓

摘  要：STEAM课程与“跨学科实践”活动理念存在许多一致性，都强调在实践中综合认知所涉及的知识，在真实的情境中发现问题、解决问题。“冲浪纸飞机”是中小学常见的STEAM课程，从2022年物理课标出发对其重新设计，使其成为立足于物理学科的跨学科实践活动。

关键词：冲浪纸飞机；STEAM课程；跨学科实践活动

STEAM课程，是指由科学、技术、工程、艺术、数学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[ 1 ]。

《义务教育物理课程标准2022版》（以下简称《2022课标》）在课程内容中增加了一级主题“跨学科实践”。该主题包含“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”三个二级主题。 这部分内容的设计旨在发展学生跨学科应用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力，培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神[ 2 ]。

1  STEAM课程与跨学科实践活动一致性

STEAM课程与“跨学科实践”都包含跨学科活动，理念存在许多一致性。两种课程都强调在实践中综合认知所涉及的知识，在真实、综合的情境中发现问题，解决问题。教师为学生设立的任务多源自生活或工程，涉及多种复杂的运动形式，各种物理、非物理的因素常常交织在一起。

传统的物理实验存在局限性，实验过程经过教师加工，过滤了干扰因素，以纯粹形式进行。学生明确探究的问题在某个单元，观察的重点与研究方法均已设定，学生学习中形成的实验探究、科学思维等核心素养局限于物理本学科。然而，学生在STEAM与“跨学科实践”活动中面对的问题没有学科限定，更沒有单元设定，在任务目标指引下学生面对的问题层出不穷，学生在解决问题过程中需要对自身已有的知识体系拆散组合，形成新任务的知识体系。学生在整合新知识体系的过程中，对学生巩固旧知识，认识新知识，培养评价、创新等高阶思维，形成关键能力影响深远。

2  STEAM课程与跨学科实践活动不同点

2.1  出发点不同

STEAM课程是随着社会发展，为适应纷繁复杂工农业现代化的需要，突出培养学生关键能力而产生的课程。而“跨学科实践”课程是《2022课标》中的一个主题，这决定了课程目标是依据核心素养及学生身心发展特点，体现育人价值，培养学生适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力[ 2 ] 2。

2.2  课时安排不同

“跨学科实践”课程占物理总课时的10%，这就决定了“跨学科实践”课程内容立足于物理本学科，难度及复杂程度应与学情、校情相符。STEAM课程没有这方面的限制，有的需要较长时间学习与制作。如：“机器人”类课程集合了编程、自动化、传感器、机械安装等内容，综合性很强，在培养学生科学思维和动手能力方面效果很好，但这类课程内容复杂，完成时间长，成本高，不适合课堂教学推广。

2.3  内容不同

《2022课标》明确了跨学科实践的内容。有些直接来自于课本内容，如：了解新材料的特点及应用。有些与学生成长息息相关，如：能用物理及其他学科知识解释与健康、安全等有关的日常生活问题。有些培养学生家国情怀，如：了解我国古代科技，了解我国科技发展的成就，增强科技强国的责任感与使命感[ 2 ] 34-36。虽然学校可以从校本角度选择不同情境的素材，但素材内容需要符合课标要求，不增加学生负担。STEAM课程传入中国多年，教育工作者开发了许多相关课程，形成众多优秀的课程体系。如：机器人类、工程机械类、自动化控制类等，并非所有课程都符合《2022课标》跨学科实践的内容要求。

STEAM作为一种重实践的教育理念，孕育了许多优秀的课程资源，在培养孩子的综合素养方面成效斐然。跨学科实践活动作为《2022课标》新增内容，可以借鉴STEAM教育资源，设计符合义务教育阶段开展的课程。

笔者以航空模型中的非遥控类飞行器“冲浪纸飞机”为例，阐述从STEAM课程到跨学科实践活动的几点思考，以期让跨学科实践从选题到过程设计，能吸收STEAM教育中优秀成果，为学生发展核心素养，为教师开展跨学科实践活动提供参考。

3  冲浪纸飞机

3.1  项目选择

航空模型大体可以分为遥控类与非遥控类。遥控类如：多轴无人机、直升机、遥控固定翼飞机等。非遥控类多为各类自由滑翔机。遥控类模型一般是成品组装，制作方面收获较少，更多是收获操控的乐趣。有一种花式特技模型（F3P）与STEAM理念相符，用密度小的发泡板材切割后组装而成，加工方便，学生可以自由设计模型，从结构受力分析、动力配置、电路安排到外观美化均能体现学生综合分析能力和创新意识，但该项目复杂且具危险性，不适合作为校内课程。

非遥控类的各式飞行器适合作为中学STEAM课程。该类飞行器出手后不再操控，就要求所有的问题需要在出手前给予解决。诸如空气动力外形、结构强度、制作精度、飞行空域气象条件、起飞状态等问题，都要求学生周到考虑并解决。地上的每一个不认真造成的错误都会在离手后的飞行中暴露，甚至造成坠机结果。因此，此类课程在培养学生严谨认真科学态度和有责任担当良好品格方面，是优良的课程资源。

“冲浪纸飞机”是适合初学者的一种非遥控飞行器，制作简单、拓展空间大，这类型STEAM课程适合改造后设计成跨学科实践活动课程。图1是市面上常见的一款“冲浪纸飞机”，其材料采用轻薄的纸，经过裁剪折叠制作成飞翼布局纸飞机。学生先将纸飞机向前掷出，再在后方用平板以合适角度跟进，纸飞机在上升气流作用下保持平飞状态。飞行原理类似于冲浪运动，所以命名为冲浪纸飞机。

3.2  STEAM课程设计——“冲浪纸飞机”

现从STEAM理念出发分析该课程设计意图，如表1。

“冲浪纸飞机”项目外观看似简单，制作也不复杂，但它属于小制作大智慧。该项目在小学阶段是一个简单的以手工和飞行为主的综合实践课程，但在初中阶段，学生思想和行为越发理性，教师备课应在学生能力可能达到的区间尽量开发项目教育价值，STEAM理念在这方面有成熟体系。教师从STEAM理念出发进行多维度设计课程，挖掘拓展项目资源的内涵，实现课程育人功能最大化。

3.3   《2022课标》跨学科实践—“冲浪飞机”

“冲浪纸飞机”项目是优良的STEAM课程，现从《2022课标》理念出发对“冲浪纸飞机”项目进行重新设计，使之符合跨学科实践课程要求，具体变化如下。

3.3.1 材料：纸→塑料泡沫

《2022课标》要求跨学科实践结合实例了解新材料的特点及其应用，了解新材料的研发与应用对社会发展的影响[ 2 ] 35 。“冲浪纸飞机”课程使用套材提供的纸，该纸密度小，很轻薄，但生活中不常见。随着科技发展，航空材料不断迭代更新，由最初木材、铝合金到复合材料、钛合金等材料在航空领域应用，该过程见证了社会科技水平的进步。若课中材料由商品套材提供而不是学生自主寻找，则会影响课程价值。教师可以让学生课前了解航空材料发展史，未来发展方向及生活中与之相关的产品（羽毛球拍、钓鱼竿、自行车、高铁动车等），认识密度、弹性、硬度、耐热、抗疲劳等材料性质，形成调查报告。课中教师让学生讨论身边可能作为制作飞机的材料，再推出物流包装常用的泡沫塑料。学生基于课前了解，课中讨论方向明确，课堂教学效率可以获得提高。教学设计增加材料选择，让学生在日常生活中发现物理，了解物理学与社会发展的关系，实现《2022课标》理念落地。

3.3.2 材料加工：折叠→热切割+裁剪

套材“冲浪纸飞机”将纸折叠成飞翼形状，过程主要体现手工技术，与物理观念关联不多。泡沫塑料加工过程相对复杂，在学生认知中普遍认为用刀、锯或锉刀进行冷加工。然而“冲浪飞机”要提高飞行成绩，就需要降低翼载荷，即为了减重机翼需要切割得很薄，1 mm以下，这么薄的厚度冷切割完成不了。解决加工难题，是培养学生创新思维很好的机会。实践活动中采用如图2所示装置进行加工，通过调节电阻丝与绝缘板之间距离，可以切割出0.5 mm厚的泡沫塑料板。

热切割方法与物理观念紧密联系，学生学习过电流热效应，利用电阻丝发热熔化泡沫塑料。为了提高切割速度，根据焦耳定律，可以增加电压增大电流。但电压过大可能导致电源过载“跳闸”。电阻丝选择横截面积不同的合金丝，细的电阻丝电阻大，切割时的压强大，但过细容易断。因此需要在实践中寻找最佳搭配。学生选择合理配置的过程，也是物理观念应用的过程。

“冲浪飞机”项目中还有几处与《2022课标》中课程内容相关。如：①电热丝加热后由于热膨胀会变长，可以通过先通电再固定电热丝予以解决。②切割过程会产生塑料细丝，类似糖浆拔丝，这说明塑料是非晶体，熔化过程逐渐变软，没有固定熔点。③电阻丝固定在平整且硬度合适的绝缘板上，实践中使用4 mm厚环氧树脂玻璃纤维绝缘板，这是电工常用的材料，硬度好而且表面光滑摩擦力小。④电阻丝选择在初中电学要求范围内，教师提供“0.15 mm（直径） 61 Ω/m、0.2 mm 35 Ω/m、0.25 mm 22 Ω/m、0.3 mm 15 Ω/m”或其他规格的镍鉻合金电阻丝让学生选择，学生结合参数计算电路安全性，选择合理配置。还可以让学生从能量观和变阻器安全方面思考，能否用滑动变阻器进行限流调制。

在泡沫塑料热加工过程会不断地出现意想不到的问题，这是将物理放置于跨学科活动中必然会遇到的，这也正是跨学科活动的魅力。在《2022课标》要求的范围内，利用物理观念在实践中解决问题，对科学思维和科学探究能力也是锻炼提升的机会。

3.3.3 外形：飞翼→开放设计

有了理想泡沫塑料薄板，学生根据飞鸟、昆虫或航空器进行设计“冲浪飞机”，由于初中阶段对飞行器设计原理不做要求，学生以模拟设计为主，教师再使用配重调整重心和舵面调整俯仰两方面进行指导。图3是一个仿生“冲浪蝴蝶”，配重设计非常巧妙，用密度大的细铜丝做成蝴蝶触角，兼具配重和防撞功能，而且配重还与整体设计融为一体。触角下弯及翅膀折出上反角均是为了降低重心增加飞行稳定性。蝴蝶尾部留有可调节的舵面。翅膀模仿我国传统风筝图案进行彩绘，体现传统文化中人与自然和谐的美。这些设计理念与STEAM教育理念相同，整体设计达到艺术与科学、技术融合，同时也是对《2022课标》中培养学生德智体美劳全面发展，增强文化自信要求的呼应。

3.3.4 评价：飞行数据→静态外观+飞行数据

《2022课标》指出学习评价以学生发展为本，以素养为导向，要发挥评价的育人功能。跨学科实践活动的评价应具有综合性、实践性、开放性[ 2 ] 44 。 “冲浪纸飞机”以留空飞行时间与最后撞击靶标的精准度作为评价标准，飞行成绩可以客观反映出制作过程与控制飞机技巧水平高低。但评价只用飞行成绩单一呈现，不够全面。影响飞行的因素很多，人员紧张、体能、环境气流都有可能成为影响因素，还有部分学生艺术水平高，外观彩绘很美，也需要给予肯定，因此构建多样评价方式是必要的。 在“冲浪飞机”项目中使用飞行成绩与过程性评价相结合，具体评价如表2。

热切割工艺体现学生对物理观念的应用，是制作纸飞机关键难点，是过程性评价重要环节。优秀的作品离不开良好的外观，外观精细程度可以反映学生制作工艺水平，设置外观艺术分可以促进学生对美的追求。飞行环节设置两个项目目的是增加飞行评价多元性。“冲浪飞机”由于翼载荷小，飞行速度慢，在室外飞行容易受风影响，应选择风速小的时段进行。通过实地感受室外气流不确定性，在教学中让学生思考当地通常什么时段风速最小，上升气流什么时段容易出现，实现实践活动与地理跨学科融合。

以上是对STEAM课程“冲浪纸飞机”项目进行重新设计的过程，目的是为了使其符合《2022课标》要求。在课时安排中，可以先完成套材“冲浪纸飞机”项目，再以开放的教学模式进行“泡沫塑料飞机”跨学科实践活动。这样安排有助于学生先熟悉冲浪飞机原理，使学生认知状态处于活跃期，从而有助于在后面的实践活动中进行自主学习，实现学习过程从被组织状态向自组织状态转变[ 3 ]。

STEAM课程与《2022课标》中的跨学科实践活动均对促进学生全面发展，形成核心素养产生深远的积极作用，二者没有优劣之分，只是课程设计立足点不同。立足于初中物理学科的跨学科实践活动在《2022课标》中首次单独作为一级主题提出，课程设计充满开放性，一线教师利用STEAM课程资源中成熟的案例以校为本进行开发，必然会设计出更多的课程资源。

参考文献：

［1］ 赵慧臣，陆晓婷. 开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J]. 开放教育研究，2016，22（5）：4-10.

［2］ 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022：34.

［3］ 邢红军.物理教学论[M]. 北京：北京大学出版社，2019：128-129.