培养实践能力和创新精神的STEM项目设计

摘 要：STEM项目设计是以项目学习作为教学框架，整合STEM内容，通过问题驱动、跨学科融合和实验探究来培养学生实践能力和创新精神的教育方式。本文以“探究自行车变速原理”为例，通过“问卷调查，确定项目”“合作探究，获得新知”“运用新知，解决问题”“角色体验，内化迁移”“实践体验，学以致用”五个环节建构STEM项目设计教学模式，有效地培养学生的实践能力和创新精神，提高学生学习的积极性和主动性。

关键词：实践能力；创新精神；STEM项目设计

新一轮基础教育课程改革的目标是培养学生的核心素养。相比三维目标，核心素养更加强调实践能力和创新精神。这是随着科技发展和社会进步，保证学生将来能够不断适应新环境和新挑战的必然要求。STEM教育是以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）为基础［1］，通过实验、探究、设计和制造等方式来培养学生的创新精神和实践能力的教育方式，这与核心素养强调的实践创新高度契合，为培养学生的核心素养提供了有效路径。STEM项目设计是我国开展STEM教育的主要途径之一，它以真实的问题为起点，强调新情境下问题的驱动和跨学科的融合，培养学生的创新意识；同时，以实验探究为主线，强调创新与实践，培养学生的创新技能；最终，以思维发展为目标，强调合作学习，培养学生的创新思维。［2］本文以人教版高中物理必修第二册第六章“圆周运动”的教学为例，尝试通过“探究自行车变速原理”的STEM项目设计达成“圆周运动”的教学目标，培养学生的实践能力和创新精神。［3］

1 项目背景

“圆周运动”是典型的概念课，本章节教学的重点是线速度、角速度、周期和转速等概念的建构及各物理量之间关系的掌握。教师应建构有积极意义的情境，通过问题引导学生建立这些概念。

自行车作为日常生活中环保、健康的交通工具，其变速功能使得骑行者可以根据路况、天气等因素调整自行车的速度。这个神奇的变速功能是如何实现的呢？变速器变速原理正好是“圆周运动”的教学内容的一部分，因此，通过设立“探究自行车变速器原理”的STEM项目活动，学生不仅可以学习圆周运动相关知识，还能学习到技术、工程、数学等相关知识，从而在掌握知识的同时，解决实际问题，并培养他们解决问题的综合能力。

2 项目目标与设计思路

STEM项目强调跨学科知识的融合。项目学习的目标不是单一的，而是要通过项目学习促使学生在科学、技术、工程和数学等多个领域的综合能力和素养的提升。教师尝试通过问题驱动，采用小组合作学习的方式，经历“问卷调查，确定项目”“合作探究，获得新知”“运用新知，解决问题”“角色体验，内化迁移”“实践体验，学以致用”这五个环节，培养学生的实践创新能力，提升学生的学科综合素养。

2.1 问卷调查，确定项目

教师通过设置问卷调查，了解学生在骑行过程中的调速情况。这一举措不仅能引导学生关注社会和生活实践，培养他们的观察力与分析问题的逻辑思维能力，还能引导学生利用网络快速解决问题，进而提升他们的技术素养。

2.2 合作探究，获得新知

学生通过探究圆周运动快慢的描述方式及各物理量之间的关系，建构线速度、角速度、周期、频率和转速的概念，并弄清它们的联系，培养自身的科学探究和思维能力。

2.3 运用新知，解决问题

学生通过探究自行车变速器的工作原理，可以明确圆周运动中两种典型传动方式与自行车速度的关系，还培养了自身的科学探究能力和数学计算能力；通过探究挡位调节的方法，可以明确挡位调节与工程知识的关系，还培养了自身的工程素养。

2.4 角色体验，内化迁移

教师指导学生通过角色体验，运用圆周运动的相关知识设计未来自行车。这不仅可以发展学生的创新意识，培养学生的学科思维能力，还能培养学生的工程素养。

2.5 实践体验，学以致用

教师带领学生探究修正带的工作原理。这一过程不仅能培养学生运用知识解决问题的能力，还能培养学生的动手操作能力，养成实事求是的科学态度。［4］

3 项目实施

3.1 环节一：问卷调查，确定项目（课前准备）

驱动问题：在骑行过程中你会调挡吗？（对高一年级全体学生开展网络问卷调查）

【成果展示】

教师展示课前问卷调查结果，引导学生认识自行车的结构。

设计意图：此问卷调查的主要目的是为了了解骑行者是否会在骑行过程中调整自行车的挡位，以及他们调整挡位的原因和目的。这个问题涉及骑行者的骑行技巧、对自行车性能的理解以及在实际骑行中的策略。教师通过设置问卷调查，帮助学生了解高一学生在骑行过程中的调挡情况；通过扩大问卷覆盖的学生范围，使得调查结果更具普遍性，教学更具针对性，更能激发学生探究的欲望。

3.2 环节二：合作探究，获得新知

驱动问题1：自行车变速器示意图如图1所示，如何比较分别位于后轮、飞轮和牙盘上的A、B、C三点的运动快慢？

【成果展示】

通过转动脚踏，观察A、B、C三点的运动情况，比较它们的运动快慢。

第一，在相同的时间内，A点比B点通过的弧长更长，所以A点运动得快一些。

线速度（v）：质点做圆周运动通过的弧长和所用时间的比值。定义式为v＝ΔsΔt，单位是m/s。

第二，在相同的时间内，B点比C点转过的角度大一些，所以B点转动得快一些。

角速度（ω）：半径扫过的角度与其所用时间的比值。定义式为ω＝ΔθΔt，单位是rad/s。

第三，B点比C点转一圈所用的时间更短，所以B点转动得快一些。

周期（T）：做匀速圆周运动的物体转动一周所用的时间。

第四，1min内B点比C点转的圈数更多，所以B点转动得快一些。

转速（n）：物体转动的圈数与所用时间之比，单位是r/min或r/s。

频率（f）：做圆周运动的物体在单位时间（1s）内所转过的圈数，单位是Hz。

设计意图：结合教材内容通过探究活动，帮助学生建构线速度、角速度、周期、频率和转速的概念，形成物理观念，培养学生的科学探究能力。

驱动问题2：描述圆周运动快慢的各物理量有什么关系？

【成果展示】

各物理量之间的相互关系，如图2所示。

v＝ΔsΔt＝2πrT

ω＝ΔθΔt＝2πTv＝ωr T＝1f＝1n

设计意图：通过探究活动让学生明白圆周运动各物理量之间的关系，培养学生建立事物是相互联系的唯物主义观点。

3.3 环节三：运用新知，解决问题

驱动问题1：影响自行车运动快慢的因素有哪些？（既要定性研究，又要定量研究）

【成果展示】

猜想：①脚踏的转动快慢（转速）；②牙盘和飞轮的半径。

研究方法：控制变量法。

步骤一，定性研究（转动脚踏演示研究结果）。

首先，保持链条连接的牙盘和飞轮半径不变，加快脚踏转动的速度，自行车后轮转动得也越来越快。

其次，保持脚踏转动的速度不变，调节挡位，使链条与不同半径的牙盘和飞轮连接；发现牙盘半径越大，飞轮半径越小，后轮转得越快。

步骤二，定量研究。

设脚踏转速为n2，牙盘半径为r2，盘沿的线速度大小为v2，轮齿个数为N2；飞轮半径为r1，轮沿的线速度大小为v1，转速为n1，轮齿个数为N1；自行车后轮半径为R，盘沿的线速度大小为v，转速为n。

因为脚踏和牙盘是同轴转动，在相同的时间内转过的角度相同，所以二者转速相同，均为n2。

因为飞轮和牙盘通过链条相连，所以在不打滑的情况下，在相同的时间内它们通过的路程相同，它们的线速度大小相同，v1＝v2。

因为飞轮和后轮共同绕后轮轴转动，所以它们转速相同，n1＝n。

因为牙盘和飞轮是通过链条连接的，所以牙盘和飞轮上的每一个轮齿大小都相同，设轮齿宽度为d，可知2πr1＝N1d，2πr2＝N2d，再根据v＝ωr，ω＝2πn，解得n=n1＝r2r1n2＝N2N1n2＝Nn2设N＝N2N1，为齿比，v＝2πn2NR。

讨论：①N一定时，n与n2成正比，即脚踏转动越快，后轮转动也越快；②n2一定时，n与N成正比，齿比越大，即牙盘与飞轮的半径比越大，后轮转动就越快。齿比具有特殊的物理意义，可通过牙盘转速和齿比表示后轮的转动快慢。例如牙盘齿数为36，飞轮齿数为15，则齿比为2.4，表示牙盘转动1圈，后轮转动2.4圈。

设计意图：让学生经历从初步猜想到深入定性研究，再到定量研究的完整探究过程，认识自行车变速器的结构，掌握皮带传动和同轴转动的特点，成功推导出自行车前进速度的数学表达式。力图通过这一过程培养学生的科学探究能力，有效提升学生的科学素养。

驱动问题2：计算本小组所提供的自行车变速范围。

【成果展示】

以某品牌山地车为例，要根据公式求出自行车的速度，需要以下物理量：①确定各牙盘和各飞轮的齿数，计算出相应的齿比；②测量自行车轮胎直径d＝0.66m；③通常情况下用脚踏每分钟转动的圈数来描述脚踏的转动快慢（也称“踏频”），正常的踏频为80～90，以n2＝80r/min＝4800r/h为例，用EXCEL快速计算出结果。

不同齿比下自行车的速度如表1所示。由表中数据可以看出：第一，通过变速器能够实现自行车速度的大范围变化，牙盘和飞轮个数越多，可调速度挡位就越多；第二，挡位最高（齿比最大）时，自行车的速度最快，可以达到39.8km/h；挡位最低（齿比最小）时，自行车的速度最慢，仅有6.8km/h。

设计意图：让学生经历计算速度和分析数据寻找规律的过程，培养他们应用信息技术快速处理物理问题的能力，以及归纳概括的能力。

驱动问题3：在爬坡和下坡时你该如何选择挡位？请说明理由。

【成果展示】

第一，爬坡时，适当用低挡，下坡时适当用高挡。

分析原因：变速器挡位越高，速度越快，但越难踩；挡位越低，速度越慢，但踩起来越轻松。

第二，要避免飞轮偏离牙盘中心线太远。

分析原因：牙盘和飞轮中心线几乎都不在一条直线上。当飞轮偏离牙盘中心线越远时，链条的倾斜度越大，这样不仅容易导致链条打滑，还会导致摩擦力的增大，加剧磨损。

综上所述，挡位选择的原则如图3所示。

设计意图：指导学生从速度、省力和磨损三个角度，运用物理学和工程学的知识探究挡位选择的原则，培养学生从多角度思考问题的能力，提升学生的科学思维能力和工程素养。

3.4 环节四：角色体验，内化迁移

驱动问题：假如你是一名工程师，如何进一步改进自行车？

【成果展示】

在保证省力和提速的前提下，优化自行车的方案包括：①为了通过增大齿比提高速度，可以适当地增加牙盘半径；②为了减小链条与牙盘和飞轮之间的磨损，可以采用两种措施，其一是增加牙盘厚度并适当减小飞轮厚度，以缩小两者的中心线的距离；其二是给牙盘安装滑轮装置，使其可以左右滑动，从而减小牙盘和飞轮中心线之间的距离。

设计意图：通过角色体验，评价学生对知识的掌握程度，激发学生的创新意识和探究未知世界的激情，提升他们的工程素养。

3.5 环节五：实践体验，学以致用

驱动问题：拆解修正带，明确其工作原理（课外拓展）。

设计意图：通过探究活动，深化学生对圆周运动知识的理解，并培养他们动手操作的能力，养成事实求是的科学态度。

4 项目评估

本项目的评估将包括以下几个方面：学生的观察力、实验能力、数据分析能力、团队协作能力，以及对自行车变速原理的理解和应用能力。此外，教师还对学生在创新设计环节中的表现进行评估。

5 项目设计反思

本项目设计通过创设问卷调查发现问题，提出了“探究自行车变速原理”的项目主题。教师基于STEM理念给学生布置了一系列的驱动任务，让学生经历了认识机械构造、探究变速原理、学会科学调速、优化变速系统、剖析修正带工作原理的项目过程，使学生掌握了圆周运动的核心知识，解决了“学生不会调速”的问题。在这个过程中，教师通过“问卷调查，确定项目”激发学生的探索欲望，培养他们的创造兴趣和创造动机；通过“合作探究，获得新知”引导学生进行科学实验探究，提高他们的创新实验能力；通过“运用新知，解决问题”培养学生的工程思维和技术技能，为创新实践打基础；通过“角色体验，内化迁移”向学生渗透科技价值理念，培养他们的批判思维和质疑精神；通过“实践体验，学以致用”引导学生进行知识的迁移和应用，培养学生的实践能力。

参考文献

［1］刘芮，王明霄. 基于分科教学制度的物理STEM项目设计［J］. 广西物理，2024，45（1）：62-64．

［2］段炼，张静. 基于STEM教育模式的高中物理教学设计——以“生活中的圆周运动”为例［J］. 物理教师，2018，39（5）：13-15．

［3］甘阔海. 培养中学生创新精神和实践能力的研究［J］. 新课程（中），2018（4）：30．

［4］吴金花. 基于STEAM理念下培养初中生物理创新能力的策略研究［D］. 扬州：扬州大学，2022：1-91．