基于STEAM教育与HPS理念的高中物理教学设计
2024-07-10姜策翔金邦建罗海军李士本
姜策翔 金邦建 罗海军 李士本
在以往的物理教学研究中,科学、技术、工程、艺术和数学教育(STEAM),及科学史、科学哲学和科学社会学教育(HPS)被视为两个相对独立的领域。教师将这两种教育理念结合起来,发挥STEAM的实践性、创造性,HPS的思辨性、批判性,通过实验探索与理论教学加深学生对知识的理解,并引入历史与哲学元素培养学生的高阶思维能力。在这一过程中,教师基于STEAM与HPS的理念,从跨学科以及物理学史背景的角度教学,让学生感受物理学的人文之美,增强跨学科实践能力。以斜抛运动教学为例,笔者自制教具(气弓箭箭矢),让学生经历实验探究、软件模拟、公式推导、物理学史引入等过程,深入探究斜抛运动规律,体会物理学的人文意义和价值。结合STEAM与HPS优势,开展斜抛运动教学旨在提供一种可能的新思路。
一、STEAM和HPS结合可实现优势互补
融合STEAM与HPS开展物理教学具有可行性,体现在以下三个方面。
首先,STEAM与HPS都具有跨学科特性。STEAM十分注重学科融合。HPS将科学、历史、哲学等进行综合,同样鼓励学科交叉。
其次,STEAM与HPS都强调创造性。STEAM依托具体的实践活动培养学生的创新能力。历史上重大理论问题的突破往往得益于科学家良好的哲学素养,对于HPS而言,一方面引导学生学习科学史培养怀疑精神,另一方面训练学生哲学思维[1]。
最后,STEAM与HPS都强调实用性。STEAM鼓励学生在跨学科主题学习中将学到的知识技能和成果应用到现实中,以解决实际问题。HPS模式下,学生对科学、技术、社会等问题进行思考,探究解决实际问题的方法。
综上所述,STEAM和HPS二者能够互为补充。学生在发展创新性思维、批判性思维、跨学科能力以及解决问题能力的基础上,进一步了解物理学的发展历程、社会影响和伦理问题等,增强社会责任感和人文关怀,有利于提升学生的物理学科核心素养。
二、STEAM与HPS相结合的教学设计思想
对于STEAM与HPS融合的物理教学,教师可以从以下三个方面着手。
其一,现实研究与历史研究相结合:围绕某一主题展开实践活动,并结合历史上对同一物理现象的分析,让学生在比较中了解科学发展与技术改进是相辅相成的关系。
其二,物理学与其他相关学科相结合:物理教学中,教师在主题的选择、背景的介绍等方面穿插科技史的讲解,并结合数学、工程、艺术等学科组织科学探究活动,培养学生跨学科能力与实践能力。
其三,科学性与人文性相结合:STEAM中的科学、技术、工程、数学具有典型的科学性,而HPS引导学生思考科学、技术、社会的关系,强化了科学教育的人文意义。
结合以上三个方面的分析,对于“斜抛运动”这一节课的教学,笔者将该课程内容涉及STEAM与HPS要素做了梳理(见表1)。
笔者计划从实验与理论两个方面开展教学,即通过气弓箭箭矢的制作与发射、斜抛运动轨迹的推导来研究斜抛运动规律,最后引入古代中西方对箭矢飞行轨迹的认识来加深学生的理解。流程如图1所示。
三、STEAM与HPS相结合的教学实践
(一)设计实验研究气弓箭箭矢的运动轨迹
本节课用到的实验仪器为气弓箭。相较于传统弓箭,教师应用气弓箭教学具有以下优势:一方面,纸制箭矢相对安全;另一方面,气弓箭的发射采用气压机制,操作难度低。
1. 实验设计:自制气弓箭箭矢进行打靶比赛
教师活动:介绍气弓箭的原理,即利用压缩气体储存能量,并以释放气体的方式将能量转化为箭矢的动能。
学生活动:根据模型制作箭矢(如图2)。
首先,选用硬卡纸作为箭头和箭身材料,将纸卷成筒状作为箭身,注意底面直径应比发射筒的直径略大。其次,适当剪裁卡纸并卷成箭头状,用胶将箭头与箭身粘贴牢固。最后,选用薄的塑料板作为尾翼,将其粘贴在箭身末端。
教师活动:引导学生使用自制的箭矢参与打靶射击比赛。开始时,教师让学生体验将箭头正对靶心射击,结果箭矢落在靶心下方。此时,让学生知道为了命中靶心,需要将气弓箭向上抬起一定角度。
为了确保安全,气弓打气时应保证压强小于两个大气压,还应提前开展必要的安全指导和培训。
2. 运用Vernier Video Physics软件描述飞行轨迹
Vernier Video Physics是一款物理教学软件,它不仅能够根据视频捕捉物体的运动轨迹,而且能建立坐标轴描述运动情况,便于学生探究物理现象背后的原理。
教师活动:在教室内进行打靶比赛过程中,利用手机摄像头拍摄箭矢空中飞行过程,使用Vernier Video Physics软件分析飞行轨迹。以箭矢射出时的位置为坐标原点,以水平和竖直方向为x轴、y轴,建立平面直角坐标系。教师出示箭矢在空中飞行的实物图及轨迹图(如图3)。
学生活动:从熟悉的平抛运动入手,运用类比的方式分析箭矢在空中的力学特点(暂时不计空气阻力),包括水平和竖直方向的速度、加速度等,进而推断箭矢的运动情况。结合软件分析得到的轨迹图,在教师引导下初步得出斜抛运动的轨迹是一条抛物线的结论。
教学反思:在制作箭矢的过程中,学生可以自行设计箭矢的颜色、形状和箭身上的图案等,将个性特点融入其中,培养其审美意识和创新思维。学生亲身参与比赛,能够明白在打靶过程中,箭矢的飞行轨迹是一条曲线。Vernier Video Physics软件可以将不易察觉到的物理规律数学化,使之完整清晰地呈现在学生面前,使物理学习更为直观。
(二)斜抛运动的射程与轨迹表达式
学生参与前面的活动,已知晓斜抛运动轨迹为一条抛物线,但对于其背后的原理认识还不够深入。接下来,从实验与理论两方面探究斜抛运动的规律。