探討物理實驗教學融合STEAM理念的幾種方法

鄭灶松

(廣州外國語學校 廣東 廣州 511455)

探討物理實驗教學融合STEAM理念的幾種方法

鄭灶松

(廣州外國語學校 廣東 廣州 511455)

把美國作為中國教育界的關注對象，研究其教育科研成果，促進中國的教育課程改革，是我國基礎教育改革的途徑之一．當前美國課程改革中，STEAM教育是其基礎教育改革的重點．近些年的課程發展中，提出了不少可行性高、課程資源完整的解決方案．然而， 這些解決方案仍然存在很多實踐上的限制條件．筆者通過研究美國課程改革中運用的STEAM教育理念，并通過在物理實驗教學中，不斷實踐與總結，探討并提出了幾種融合STEAM理念的方法．

物理實驗教學 STEAM理念 教育方法 總結實踐

我國的教育工作，也在朝著“教育公平和質量明顯提升”的方向努力．“十三五”規劃中，把教育發展的目標定位為：邁進創新型國家和人才強國行列．因此，對教育工作提出了新的任務與理念．而STEAM理念是美國課程改革新的動向，值得我們研究．

1 什么是STEAM

1.1 STEAM教育

先談一下STEM教育.STEM教育就是科學，技術，工程，數學的教育[1]．但其提倡的，并不是獨立的學科．科學、技術、工程與數學素養是一個多學科交叉的研究領域，它囊括了科學、技術、工程和數學4大領域，但STEM素養并不是科學素養、技術素養、工程素養和數學素養的簡單組合，而是把學生學習到的零碎知識與機械過程轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程[2]．

而比STEM更為人性化、更立體的STEAM(是Science,Technology,Engineering,Arts,Maths的縮寫)教育由美國知名的教育學者格雷特·亞力克教授(Georgette Yakman)及其團隊，在STEM的基礎上提出來．其中A，指的是藝術(Art)，它包括人文藝術科目，也包括社會研究中的文化和美學．在STEAM 教育中，科學支持人們認識世界的規律；工程與技術支持人們根據社會需求改造世界；藝術幫助人們以美好的形式豐富世界；數學則為人們發展與應用科學、工程、藝術和技術提供思維方法和分析工具[3]．

那么，在某種程度上，STEAM是用美好的形式，對STEM教育進行實現、表達和運用，使得STEM教育更加立體、可觀．學生運用溝通和語言的藝術能更好地實現知識共享；通過美術，學生能更好地了解過去和現在的文化和美學；學生了解人性、道德、自由和藝術等知識，有助于理解社會發展[3]．這也是美學的升華，美與藝術，不僅僅在于表達，還在于美化每個人．

1.2 STEAM教育的特點

STEAM教育理念下的課程，首要特點就是跨學科、協作性以及實踐性的特點．STEAM 教育以整合的教學方式，注重實踐和過程，強調解決真實問題；強調知識與能力并重，倡導“做”中“學”；強調創新與創造力培養，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯[4]．“基于項目的學習”、“解決實際問題”、“合作與實踐”，這3個要素是STEAM在教育形式上最基本的形式，也是最廣泛的形式．從研究國內外關于STEAM的教育資料上看，教育案例也是突出表現為以上3個要素．實質上，就是教師層面不僅要給予知識，更要學生動手動腦，參與學習，以學生為中心，還要學生能夠表達，用藝術的形式表現出來．

現實生活中的問題是復雜多變的．教育要培養創新人才，就需要培養能夠綜合運用多種知識、科技來解決實際問題的復合型、創新型人才，并且能夠找到合適的、美的形式表達出來．這符合我國的“邁進創新型國家和人才強國行列”的教育目標．

2 STEAM教育理念發展及存在的問題

在我國，關于STEAM的教育研究正在逐漸展開，研究成果也很多．文獻[5]總結了我國STEAM教育發展面臨3大問題：一是，缺乏完備的STEAM課程教學資源；二是，缺乏實驗室建設標準與實施方案；三是，缺乏STEAM專業師資及其培養機制[5]．概括地講，就是缺乏以STEAM課程為主導的硬件和師資等教育資源．

在近些年的課程發展中，許多學者和教師，利用“互聯網+”、創客空間、創新實驗室以及3D打印等科技教育課程，提出了不少可行性高、課程資源完整的解決方案．在實踐中，也培養了不少科技創新人才．

然而， 這些解決方案，對于師資力量不是十分雄厚、辦學條件一般的學校而言，仍然存在很多實踐上的限制條件．在此，筆者通過自己的實踐，不斷總結融合，提出幾個對策和實踐方向．

3 方法與實踐探討

通常情況下，我們的實際教育教學，會按照教學大綱的思路，或者對照中高考考綱的要求，按部就班地進行教學．根據教學任務，我們會思考如何強調重點，突破難點．教師的思維聚焦在如何按照大綱、考綱的目標，出色地完成教學任務．然而，教無定法．在完成教學任務的同時，我們應當考慮“教書”還要“育人”，授人以魚不如授人以漁，教會學生如何解決問題的方法．在STEAM理念的引領下，我們可以整合物理實驗教學的一些資源，創設出條件，幫助學生成長為實用型、創新型人才．

3.1 單一知識點的實驗轉化為基于實驗項目的學習

為了呈現一個知識點，培養學生的科學實驗素養，教材幾乎對每一個物理量或者物理規律，都安排了實驗．測量物理量、驗證或者探究物理規律，是學習單個知識點必要的過程．這樣，不僅讓學生的學習內容豐富多彩，也培養了學生的科學素養．然而，現代教育學、心理學告訴我們，要進行有意義的學習．因此，我們要將各個知識點聯系起來，使得每個知識都是完整有意義的．

對于人的培養，要追求全面發展和個性發展相結合．那么，學習者學習到的知識和技能，應該是有助于自己將來的生活或者創造的．這正是STEAM教育理念提倡的．

將單一知識點的實驗轉化為基于實驗項目的學習(后文簡稱“項目化學習”)，就是將相似或者同一知識系統的實驗歸結成一個大的項目或者課題進行學習，學習者在不分學科領域的情況下，協作、實踐地學習．這正是解決知識技能有意義學習和人的全面化、個性化發展而提出來的．

例如牛頓運動定律的學習．人教版的安排，是將牛頓第一運動定律、第二運動定律、第三運動定律，全部放在一章中學習．粵教版教材，則將牛頓第三定律與作為力的相互作用單獨設置，將牛頓第一定律和牛頓第二定律設置為一章內容．筆者在幾年的教學中，都實踐了人教版和粵教版的教學．學生在學習人教版教材時，會因為大量的實驗數據和理論推導，產生了很大的學習壓力．在學習粵教版教材時，也會遇到知識點分散，理解難度大的問題．經過教學實踐，如果將單一知識點的實驗轉化為實驗項目化學習，符合現代認知心理學所提出的“對客觀事物的整體映像”的認知規律，可讓學生對這三大定律的認知，提高到新的高度，同時，也可讓學生重塑知識結構，與建構主義的學習觀吻合．

首先，將“探究加速度與力、質量的關系”等實驗，設計為驗證性的實驗，也就是，將牛頓三大定律，先學習其基本規律．然后，將班級分組，進行項目化學習．其內容是：

(1)每個人必須親自實踐去驗證牛頓運動定律，獲得數據，分析更加精準地去驗證的方法．

(2)每組學生，要根據自己的組員情況，討論牛頓運動定律實現的條件和存在的問題．

(3)每組學生，要根據自己的組員情況，收集整理關于牛頓定律的應用實例，分工分析書本的例題．

(4)每組學生，要根據自己的組員情況，收集整理關于牛頓定律的發展歷史．

最后，讓每組學生上講臺講解自己的成果．利用章末復習課，每組學生在限定的時間內，將自己的成果派代表講解給每個人，并將存在的問題記錄下來，作為復習課要解決的問題．在實踐中，因為將探究實驗轉化為驗證性實驗，學生有了更多的自我學習實踐的時間．而在分組學習的過程中，筆者發現，學生各自擅長的東西都有所不同，興趣和愛好也有差異．擅長文科的學生，更多地分享了牛頓定律的人文知識，擅長理科的學生，則理性地提出了自己的分析應用．

這樣將幾個單一的知識點，轉化為實驗項目化學習，讓學生們相互學習、相互合作，共同進步．每個學生既學到了基本的物理知識，更對物理和科技人文有了進一步認識，同時，取長補短，讓每個學生個性化得到了展現．而這樣的例子還有很多，物理的發展是不斷推進的，也使得這樣將幾個單一的知識點，轉化為實驗項目化學習變得可行．這一過程，也讓科學、數學以及人文藝術得以實踐和融合．

3.2 把實驗學習轉變為先合作性科學實踐再學習物理規律

在高中物理教學中，有不少知識點，涉及到初中已經學習過的物理規律．這個學習過程，既是重新認知物理規律，也是實踐過往學習到的科學知識最佳的時間．要充分利用好在實驗室進行教學的時間．把實驗學習轉變為先合作性科學實踐，再學習物理規律．不僅可以總結之前學習過的知識，還可以進行科學實踐，在此基礎上，學習物理規律則更加深刻易懂．

比如，高中《物理·選修3-1》，電學的學習內容，特別是電路方面的知識點，許多規律和初中的知識點相似．因此，筆者安排了一些電子元件和焊接電路的器材，包括了色環電阻和可調變阻器等材料．

開始實驗教學前，先讓每個學生根據初中所學知識，將色環電阻作為定值電阻，將可調變阻器作為滑動變阻器，設計簡單的串并聯電路圖．接著，按照設計好的電路圖，焊接電路．設計多種簡單電路，每個人自己焊接自己的電路．然后，焊接完成后，分組合作，相互交叉檢查對方的焊接的電路，在檢測無故障后，說明對方電路設計的意圖．最后，每個學生，再自己焊接好電路，加入引線，作為電流電壓表的檢測點，探究閉合電路歐姆定律等電路規律．

將自己所學，用于科學實踐，讓每個學生都興奮不已．在實踐中，交叉檢測和說明對方的設計意圖，既是知識的深入應用，更是一種社交藝術的實踐．最后，將成果用來學習新規律，讓學生收獲良多．

“把實驗學習轉變為先合作性科學實踐，再學習物理規律”，讓學生快樂學習，也在不斷地融合STEAM的教育理念，讓科學、技術、工程和社交藝術得以實踐．

3.3 以探究性學習開展豐富多彩的實驗課程和校本課程

在實踐中，筆者發現，將物理實驗教學，開展成為“以探究形式”的“實驗課程”和“校本課程”，是融合STEAM教育理念最佳方法，也是最快速的方法．

比如，在“熔化與凝固”實驗中，教材推薦使用海波作為實驗的材料．然而實踐證明，海波在“熔化和凝固”的現象中，雖然表現已經不錯，但是實驗的成功率并不高．筆者，秉持著有問題才有學習的必要，在學生中，開展探究性實驗課程．

首先，在日常的教學中，讓學生按照課程要求，明確實驗目的、實驗原理，認真完成課程學習內容，對操作、儀器和實驗現象，都進行分析，并做好學案．

然后，利用學校每周一節的校本課程開展實驗課程，就“熔化與凝固”，讓學生提出問題．學生甚至質疑課本的知識，質疑實驗裝置，質疑藥品的比例，質疑實驗器材等等．在學生提出問題后，羅列出所有問題．然后讓學生自主挑選要探究的問題，帶著問題去探究．需要實驗條件的，提供給予實驗環境，需要文獻資料的，由教師提供文獻資料．

這個過程中，在教師的監督下，有的學生自己設計實驗裝置，有的學生自己調配藥品，有的更換器材，采用數字探究系統進行實驗．經過幾個星期的研究，學生們最終形成了比較可靠的實驗裝置和結論，深入地探究了自己感興趣的問題．

將問題帶到探究性學習中，開展豐富多彩的實驗課程，不僅讓學生學習到了知識，也讓實驗越來越可靠．

利用校本課程，結合物理實驗教學，開展課程，也是融合STEAM教育理念的一個很好的方法．比如，在剛學習完“聲音測量”以后，筆者給予了“測量學校足球場和籃球場面積”的校本課程實踐任務．學生們充分發揮自己的知識和能力，運用數學、工程測繪等等知識，提供了多種可行的方案，并且很好地完成了任務．

以探究性學習開展豐富多彩的實驗課程和校本課程，可以更加直接面對生活和學習中的實際問題，用科學、技術、工程、數學來解決，然后用藝術的形式交流與表達．這與STEAM教育理念完全契合．

4 結語

STEAM理念在物理實驗室中融合，實踐于其學科實驗教學，更踐行于借此運用的各類實踐方法．本文中探討的幾種方法，在實踐中，對培養全面性、個性化的學生素養，有一定的作用．作為學習的主體，學生也十分喜愛這種融合STEAM的物理實驗教學．然而，我們還需要對STEAM教育有一個規劃和定位，讓教學實踐更加有效．

1 mayadong7349.stem[EB/OL].[2016-10-20].http://baike.baidu.com/item/stem

2 范燕瑞.STEM教育研究——美國K-12階段課程改革新關注：[碩士學位論文].上海：華東師范大學, 2011

3 趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學生創新能力——訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授.開放教育研究, 2016, 22(5):4～10

4 王娟，吳永和.“互聯網+”時代STEAM教育應用的反思與創新路徑.遠程教育雜志, 2016, 35(2):90～97

5 胡畔，蔣家傅，陳子超.我國STEAM教育發展的現實困難與對策.中國信息技術教育, 2015(9):46～47

淺析傳感器和DIS系統在高考題型中的應用

劉立志

(宜都市一中 湖北 宜昌 443300)

(收稿日期：2016-12-05)

摘 要：針對DIS系統在生產生活實際中的廣泛應用，以及近年DIS系統在高考試卷當中頻繁出現的事實，借助對兩道相關高考真題的解析與研究，以幫助學生更好地理解和體會DIS系統在試題中的出現形式，從而達到熟練掌握相關題型的解題技巧的目的．

關鍵詞：傳感器 DIS 高考

所謂DIS系統，是英文“Digital Information System”的縮寫．它的基本結構主要包含傳感器、數據采集器和計算機3部分．其中傳感器可以測量力、位移、溫度、光、電壓、電流等各種物理量，并將其轉化成相應的電信號，而數據采集器可以將傳感器采集到的各種電信號進行處理后輸入計算機，大量數據通過計算機內應用軟件的分析處理后，最終能夠以多種不同形式呈現在計算機的屏幕上．

由于該系統涉及到的知識綜合性較強，在生產、生活與技術中的應用領域極其廣泛，又在新課標理念下被引入教材，近年各省區高考實驗題題中越來越多地涉及到傳感器及該系統的應用．通過對近幾年與之相關的題型研究發現，這類題型都有一個相似的特點，就是題目本身涉及的物理學過程或物理學知識并不復雜，但是對學生的能力仍有較高的要求．第一，學生必須能夠將沒有見過的操作方法與已經學過的基本操作方法進行類比，從而達到理解實驗目的、實驗原理的要求；第二，學生必須能夠對得到的圖像、表格等信息進行分析，并得到解題所需的相關數據．伴隨著新課程改革的全面推廣，高校人才的選拔越來越注重對學生能力的考核，所以與傳感器、DIS系統有關的考題必將以更高的頻率出現在各地的高考試卷當中．

本文將分別在力學和運動學中舉例說明這類問題的常見解法．

【例題1】如圖1所示為一根豎直懸掛的不可伸長的輕繩，下端拴住一小物塊A，上端固定在C點且與一根能測量繩的拉力的測力傳感器相連．已知有一顆質量為m0的子彈B沿水平方向以速度v0射入A內(未穿透)，接著兩者一起繞C點在豎直面內做圓周運動，在各種阻力都可忽略的條件下測力傳感器測得繩的拉力F隨時間t的變化關系如圖2所示．已知子彈射入的時間極短，且圖2中t=0為A和B開始以相同速度運動的時刻，根據力學規律和題中(包括圖)提供的信息，對反映懸掛系統本身性質的物理量(例如A的質量)及A和B一起運動過程中的守恒量，你能求得哪些定量的結果？

圖1 例1題圖

解析：由圖2可直接看出，A和B一起做周期性運動，運動的周期T=2t0.

圖2 F-t關系曲線

令m表示A的質量，L表示繩長．v1表示B陷入A內時即t=0時A和B的速度(即圓周運動最低點的速度)，v2表示運動到最高點時的速度，F1表示運動到最低點時繩的拉力，F2表示運動到最高點時繩的拉力，根據動量守恒定律，得

m0vo=(m0+m)v1

在最低點和最高點處運用牛頓定律可得

根據機械能守恒定律可得

由圖2可知

F2=0

F1=Fm

由以上各式可解得，反映系統性質的物理量是

在A和B一起運動過程中機械能E守恒，若以最低點為勢能的零點， 則

聯立方程求解得

點評：這是一道開放題，題目的設問不明確，要靠考生去尋找，答案當然也要靠考生去解決，本題由于其開放性，成為當年高考題的一個亮點．就傳感器而言，測力傳感器在本題只作為題目來源的工具，告訴我們測力傳感器可以測得繩的拉力F隨時間t的變化關系圖像，題目的解決對傳感器沒有實質性的要求．

【例題2】如圖3所示，質量為M的滑塊A放在氣墊導軌B上，C為位移傳感器，它能將滑塊A到傳感器C的距離數據實時傳送到計算機上，經計算機處理后在屏幕上顯示滑塊A的位移-時間(s-t)圖像和速率-時間(v-t)圖像．整個裝置置于高度可調節的斜面上，斜面的長度為l，高度為h．(取重力加速度g=9.8 m/s2，結果可保留一位有效數字)

圖3 例2題圖

(1)現給滑塊A一個沿氣墊導軌向上的初速度，A的v-t圖線如圖4(a)所示．從圖線可得滑塊A下滑時的加速度a=______m/s2，摩擦力對滑塊A運動的影響______．(填“明顯，不可忽略”或“不明顯，可忽略”)

(2)此裝置還可用來驗證牛頓第二定律．實驗時通過改變______，可驗證質量一定時，加速度與力成正比的關系；實驗時通過改變______，可驗證力一定時，加速度與質量成反比的關系．

(3)將氣墊導軌換成滑板，滑塊A換成滑塊A′，給滑塊A′一沿滑板向上的初速度，A′的s-t圖線如圖4(b)所示．圖線不對稱是由于________________造成的，通過圖線可求得滑板的傾角θ=？(用反三角函數表示)，滑塊與滑板間的動摩擦因數μ=________．

圖4

答案：(1)不明顯，可忽略．

(2)斜面高度h，滑塊A的質量M及斜面高度h，且使Mh不變.

(3)滑動摩擦力，arcsin 0.6(arcsin 0.57～arcsin 0.64)， 0.3(0.2～0.4)

解析：(1)下滑時，加速度為

上滑時，加速度為

摩擦力對滑塊A運動的影響不明顯，可忽略．

(2)改變斜面高度h， 即改變斜面的傾角，則改變產生加速度的力(F=Mgsinθ)，可驗證質量一定時，加速度與力成正比的關系；改變滑塊A的質量M及斜面的高度h，且使Mh不變，因為

使Mh不變，則F不變，可驗證力一定時，加速度與質量成反比的關系．

(3)圖線不對稱是由于滑動摩擦力造成的，因為在滑塊上滑時，加速度的大小為

在滑塊下滑時，加速度的大小為

在滑動摩擦力不可忽略的情況下，二者不等，s-t圖像不對稱．

從圖4(a)中得

a=6 m/s2

又

a=gsinθ

所以

從圖4(b)中上滑階段讀出

t=(0.4-0) s=0.4 s

s=(0.84-0.20) m=0.64 m

根據

得

a=8 m/s2

代入

已知

sinθ=0.6

則

cosθ=0.8

解得

μ=0.25

點評：本題是對傳感器的實質性的考查．位移傳感器連上計算機，不僅可以實時畫出位移-時間(s-t)圖像，也可以實時畫出速度-時間(v-t)圖像，比傳統實驗方法(打點計時器)方便得多．本題不僅考查了實驗：勻變速運動的研究(求加速度)，也考查了實驗：驗證牛頓第二定律(驗證質量一定時，加速度與力成正比的關系；驗證力一定時，加速度與質量成反比的關系)，可謂一題多考．要在短時間內，用少數題目考查學生多年學的這么多的物理知識和方法，就要一題多考，提高題目的綜合性．

2017-03-22)