基于STEM教育模式的高中物理教學設計
——以“生活中的圓周運動”為例

段 煉 張 靜

(長江大學物理與光電工程學院物理教育研究所,湖北 荊州 434023)

1 “STEM教育模式”簡介

STEM教育源于美國,目前,人們普遍接受的定義是Rider-Bertrand在2007年提出的“STEM教育是有目的地整合各學科的教學和學習方法,學生將從中發現并獲得能在學術和現實背景中可以運用的概念、能力以及科學、技術、工程和數學思維等,以提高在21世紀的全球競爭力”．[1]STEM教育不僅僅是科學、技術、工程和數學的簡單組合,而是將4門學科相互貫穿、融合．摩爾和史密斯(Moore &Smith,2014)在其研究中提出了STEM教育的兩種整合模式:一是情境整合(Context integration),意在將工程設計當作科學和數學教學中的學習情境和動力要素．其中工程設計并不是學習目標,而是一種教學方法,用以加強學生對知識的聯結和掌握;二是內容整合(Content integration),重在將工程設計看作學習目標之一,將相關工程知識與科學和數學知識進行整合．[2]

就物理學科而言,其本身就與技術和工程有潛在的聯系,[3]我國《普通物理課程標準》中,雖然沒有將工程技能作為教學目標,但情境整合可以作為中學物理教學中開展STEM教育的主要參考模式．學生通過教師創設的物理情境,經歷理論回顧、問題分析、方案設計、模型制作以及改進應用等步驟,逐步學會運用物理學知識解決實際的工程技術問題．

2 “生活中的圓周運動”設計案例

以人教版高中物理必修2第5章“生活中的圓周運動”為例,展示基于STEM教育模式的高中物理教學設計．

2.1 情境引入,設置問題

播放視頻： 教師播放膠濟鐵路脫軌事故新聞,通過新聞案例,創設物理情境,引導學生思考為何火車超速會引起脫軌．

設計意圖:利用真實的新聞案例,給學生強烈的視覺沖擊,激發研究興趣．

2.2 知識講解,理清思路

演示實驗1： 教師演示水流星實驗,即提著水桶使其在豎直平面內做圓周運動．學生觀察桶內水的運動狀態．教師提問:水為什么沒有灑出來?

圖1

受力分析： 教師帶領學生以桶運動至最高點為例進行受力分析(如圖1),引導學生得出重力,桶底的彈力提供了向心力,且重力全部提供了向心力,因此水未灑出．教師追問:如果減慢環繞速度,實驗能否成功?

演示實驗2： 教師減慢速度環繞水桶,環繞過程中水灑出．教師提問:為何速度減慢,水會灑出來?

教師提問:根據這一思路,能否解決火車脫軌問題?

設計意圖:注重學生的前認知,引導學生在前認知基礎上進行深層加工．通過分析生活中的物理情景和兩次實驗現象,對向心力概念、公式進行回顧,強化其科學基礎(S),再將公式與實際問題相結合,幫助學生理清解決圓周運動問題的基本思路,即① 找到向心力的來源即提供量; ② 計算向心力的需求量; ③ 根據提供量、需求量的關系判定能否做圓周運動．若不能,判斷哪一方出現問題,以此為切入點展開分析．

2.3 分析問題,協同設計

展開推測： 學生運用上述思路推測，火車脫軌的根本原因是向心力的供求關系失衡．此時教師提問:鐵軌是如何作用于火車的?并向學生展示實際鐵軌和火車車輪接觸位置的細節圖(如圖2)．

演示實驗3： 教師演示改造過車輪的四驅車經過帶有護圈(用紙條黏貼而成)的水平彎道,以重現脫軌事故(如圖3)．實驗中小車沖出了軌道且沖破護圈(如圖4)．證明小車對鐵軌有向外的作用力．此時學生根據牛頓第三定律,可得知鐵軌對四驅車有向內的壓力(如圖5),該力即為火車轉彎時向心力的來源．

圖2圖3

圖4圖5

圖6

提出工程問題： 教師展示實際鐵軌的鋪設狀況(如圖6),讓學生看到鐵軌僅通過道釘固定在石墩上,并不能承受太大的壓力,即這樣的鐵軌存在安全隱患．此時教師提問:若你是工程師,該如何設計鐵路軌道來消除脫軌隱患?

提出猜想： 教師引導學生思考，既然軌道對輪緣的壓力不能提供足夠的向心力,是否可以通過改造鐵軌,使其他力幫助提供向心力．

理論推斷： 教師引導學生認識到，在火車前進轉彎時,重力的方向不可改變,牽引力、阻力的方向時刻與火車前進的方向相同或相反,因此只有支持力的方向可以改變．此時提出問題:如何改變支持力的方向?

提出方案： 學生提出通過抬高外側鐵軌,使支持力向內傾斜．

實施方案： 教師邀請學生上講臺,按照上述方案,將教師的實驗器材稍加改進,并再次實驗(如圖7)．實驗中四驅車以同樣速度經過軌道,不再脫軌．

理論分析： 教師引導學生對火車進行受力分析,當軌道傾斜后,重力和支持力的合力共同提供了向心力,彌補了向心力來源上的不足,因此火車安全通過彎道(如圖8)．

圖7圖8

設計意圖:以實物圖片和事故重現的方式,幫助學生自主找到火車轉彎時向心力的來源,為學生繼續研究問題建立自信；引導學生從工程師的角度,對比理論分析和實際情況,并逐步將學生引導至對軌道鋪設這一工程問題(E)的思考角度,找到解決問題的辦法,將物理概念與工程技術充分結合,使學生對向心力的概念和公式能有更加深入的理解．

2.4 制作模型,驗證方案

圖9

制作模型： 學生根據實驗方案,并利用準備好的實驗材料分小組制作模型(如圖9),讓小車經過制作的彎道,觀察是否發生脫軌．

設計意圖:讓學生真正動手操作,將自己設計的方案通過模型得以實現和證明,體驗STEM教育模式的樂趣,強化概念,同時,學生在制作過程中可能會暴露出即使墊高軌道也會脫軌的問題,為下面數學推導階段奠定基礎．

2.5 數學推導,定量計算

總結提升： 教師總結各小組實驗情況,并指出有的小組制作的軌道仍然會出現脫軌這一問題,從而提出，作為工程師,應定量考慮轉彎速度與軌道傾角的數學關系,真正讓學生從工程師的視角處理問題．

設置問題： 教師設置定量問題:設一列質量為100t的火車在傾角為30°,軌道半徑為400m的彎道上行駛時,若鐵軌不受側向壓力,則此時火車的速度為多大?

技術提升： 教師帶領學生,利用幾何畫板這一軟件技術(T),讓學生將火車速度v,軌道傾角θ之間的動態關系圖得以呈現(如圖10)．

設計意圖:工程問題離不開準確的計算,通過量化問題的設計,在應用軟件技術(T)的同時,強化了學生數學計算能力(M),并定量地體會到軌道傾角與軌道能夠承受的火車最大速度之間的關系,促進對知識的深層次理解．

圖10

3 教學反思

相較于《普通高中物理課程標準》提出的三維目標,STEM教育模式則要求教師從更加整合化的科學、技術、工程和數學4個方面來綜合制定教學目標,以問題驅動為導向,讓學生經歷理論回顧、問題分析、方案設計、模型制作以及改進應用等過程．在STEM教育模式應用過程中,實驗材料的易用性,可獲得性也尤為重要,正如文中所示,教師應盡量尋求學生身邊的、熟知的材料加以改造和利用,并合理引導,方能最大限度培養學生動手解決工程技術問題的能力,充分發揮STEM教育模式的優勢．

參考文獻：

1 彭聰,王晶瑩. 美國STEM教育實施策略的研究[J].首都師范大學學報, 2016, 37(3): 18-21.

2 T J Moore, K A Smith. Advancing the state of the art of STEM Integration[J]. Journal of STEM Education, 2014, 15(1): 5-10.

3 謝麗,李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師,2017,38(4): 2-4.