踐行STEM教育理念提升物理核心素養

居殿兵　湯杰

摘要：在STEM教育理念指導下，改造家用垃圾桶，解決兩個方面的問題：一是廚房垃圾桶換垃圾袋麻煩，泔水殘留在垃圾桶內，易滋生細菌；二是衛生間垃圾桶因要帶蓋密封異味，人坐在坐便器上不方便邊打開蓋子邊丟衛生紙.借鑒家用不粘鍋、電飯煲收納蒸汽水、銀行門自動開閉、自動圓珠筆等工作原理來一步步改進家用垃圾桶，解決實際存在的問題，在探究、學習、討論、思考、制作中提升學生的物理核心素養.

關鍵詞：STEM教育；物理核心素養；垃圾桶改造

基金項目：江蘇省十三五規劃課題“基于提高學生物理核心素養的體驗式學習法的實踐研究”（項目編號D/2016/02/349）；江蘇省教研課題第十一期課題“依托物理課程基地發展學生核心素養的實踐研究”（項目編號：2015JK11-L175）.

作者簡介：居殿兵（1969-），男，江蘇高郵人，本科，學士，中學高級教師，研究方向：尖子生培養，奧賽指導；

湯杰（1991-）男，江蘇淮安人，本科，學士，中學二級教師，研究方向：物理學科教學.

1何為STEM教育

STEM是科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫.STEM教育是科學嚴謹的跨學科教育理念，起源于美國.1986年，美國國家科學委員會（National Science Board，NSB）發表《尼爾報告》，該報告是美國STEM教育集成戰略的里程碑.報告中提出“科學、數學、工程和技術集成（SMET集成）”的綱領性建議，被世界教育界視為提倡STEM教育的開端.

當今教育的社會價值在于培養孩子如何適應現代社會和應對未來生活變化的技能，教育目的、方式已然發生了根本的改變.將STEM教育融合于日常物理教學，有利于提升學生“學、用、做”綜合能力，提升學生物理核心素養，踐行新課標的基本理念，為學生終生發展奠定基礎.

2垃圾桶改造問題的提出

在我們家庭中，垃圾桶是一件必不可少的東西，一個家庭少到1、2個，多的甚至8、9個，從廚房到客廳、臥室到衛生間，到處都有它的身影.在家里有兩個地方的垃圾桶更引起我們的重視，一個是廚房，一個是衛生間.廚房的垃圾桶因為更換垃圾袋頻次高，麻煩，若泔水殘留在垃圾桶內難清理，易滋生細菌.而衛生間的垃圾桶一般都帶蓋，人坐在坐便器上不方便邊打開蓋子邊丟衛生紙，而如果不帶蓋又會有異味.改進這兩個地方的垃圾桶就必須解決以下問題：一是廚房的垃圾桶如何使更換垃圾袋變得方便？如何讓泔水不殘留在垃圾桶內部，即使稍有殘留，也易清理？二是

衛生間的垃圾桶如何讓桶蓋根據需要及時、方便打開與關閉.

3前期準備

31廚房的垃圾桶

311學生觀察

讓學生觀察常見的垃圾桶款式，并能夠說出各款式垃圾桶所具有的功能或者優點.分析這些垃圾桶的經濟性和實用性.

312各抒己見

提出一個問題讓學生討論——如何使垃圾袋更換更方便.從垃圾袋距離垃圾桶的遠近，操作是否復雜等角度來思考，給學生提供思考的方向.然后學生分組，以小組為單位，得出本組的討論結果.

313分析比較

比較各小組的結果，從可操作性來考慮，我們可以把垃圾袋就放在垃圾桶底部夾層內，這樣就節約了到處找垃圾袋的時間.同時從面巾紙的抽取設計中得到啟發，通過拿走第一個垃圾袋來把下一個垃圾袋給帶上來，從而使垃圾袋更換變得更加方便容易.

314前沿材料介紹

本項目的另一個問題是如何讓垃圾桶不易殘留泔水，且便于清理.這樣，一些前沿材料可能會用到.可從淘寶上購買到該類材料（納米液體），價格也很便宜，20元左右就可以買到一瓶.同時給學生介紹一些現實生活中運用到疏油材料的例子，比如現在家里用的不粘鍋，如圖1所示，炒完菜，油質沒有殘留在鍋內，原因是鍋里涂了一層自清潔納米材料.另外，手機屏幕上也涂有疏油層，避免留下手指痕跡.同時，提供給學生關于自清潔納米材料的網絡鏈接，供學生自主上網查閱、學習.

315難點攻克

在此基礎上，學生不難聯想到，可以在垃圾桶內壁也涂上一層這樣的納米材料，這樣就可以解決問題了.另外還要考慮，萬一廚房垃圾中有一些尖、硬的物體時，很有可能把垃圾袋給扎破，泔水會破袋而出，雖然不粘在桶壁上，但還是會殘留在垃圾桶底，甚至會流到下面沒使用的垃圾袋上面去.怎么解決這個問題呢？學生想到能不能把泔水導出去.又出現了新的問題，導出的泔水會污染地面，怎么辦？學生會想到用東西接住.這時引導學生聯想家里的電飯煲，當盛飯的時候，鍋蓋上的蒸汽水會流到一個收納容器中，如圖2所示，故垃圾桶也可以增加這樣一個裝置.

32衛生間的垃圾桶

321確定改進方向

請學生闡述衛生間的垃圾桶一般需要具備哪些功能？并且說出現實生活中衛生間的垃圾桶還有哪些不方便的地方，這將是我們的改造方向.最后確定改進方向：一是衛生間的垃圾桶細菌多，有異味，需要加蓋，且氣密性要好；二是打開桶蓋和丟衛生紙一只手完成不了，對于一些下肢殘疾人士而言腳踩式垃圾桶更不合適.

322思考改進方法

根據上述存在的問題，對垃圾桶進行改進，如何才能做到既可以用手又可以用腳將垃圾桶蓋打開？學生們會想到生活中常用的傳感器，比如，人走進銀行門時，門自動打開，手靠近公共洗手間水龍頭時水自動流出.設計成手靠近傳感器桶蓋就打開，遠離到一定距離桶蓋就關閉.分小組思考設計方案.

323評價設計方案

學生們普遍會想到運用傳感器來設計這個方案，請學生分享他們的設計方案，比較各小組的方案.讓學生從實用、方便、經濟、可操作方面對各自的設計方案進行評價.

324腳踩式垃圾桶模型探究

既然電子的行不通，就采用機械的，市面上就有腳踩式垃圾桶，腳踩式垃圾桶有它獨到的優點，通過腳踩來控制桶蓋的打開.讓學生分析腳踩式垃圾桶的工作原理，如圖3所示，建議學生在此基礎上進行改進.

325聚焦關鍵點

選擇最原始的機械裝置，如何做到用手就可控制桶蓋的打開和關閉呢？要是有一個按鈕，一按桶蓋打開，再一按桶蓋關閉就好了.這個按鈕的位置應該放在哪兒呢？學生不難想到，按鈕應該放到圖3上A處，再用連桿壓下方的踏桿，從而控制桶蓋的打開.手一松，桶蓋又會落下來，一只手依舊沒法完成開蓋和丟衛生紙的操作.有沒有一種方法可以控制桶蓋的關閉？想讓它什么時候關就什么時候關？問題就聚焦到這上面，如何解決？

326研究自動圓珠筆工作原理，獲得設計靈感

讓學生研究自動圓珠筆的工作原理，如圖4所示，通過按鈕上下按動，可以控制筆芯向下的高度.對比此處的垃圾桶，在按鈕A處下方也裝上自動圓珠筆這樣的裝置，按下按鈕，連桿向下的長度變長，從而控制桶蓋的打開.當我們再按下按鈕，連桿向下的長度變短，桶蓋關閉.到此為止，控制桶蓋打開和關閉的問題就得到了解決.但是我們依舊要保留原來的腳踏結構，因為有時候會遇到需要腳踩的情況，例如上肢殘疾人士就非常需要.

4設計與制作

41設計方案

411廚房垃圾桶設計方案如圖5所示.

412衛生間垃圾桶設計方案（圖6）.

42制作作品

根據設計圖進行制作，受材料和工具的限制，我們通過模擬制作，用三合板、硬紙板代替塑料.在制作的過程中主要問題是尺寸的測量，一旦尺寸不符，在安裝過程中是很難完全吻合的.在學生安裝測試過程中，可能有以下兩個方面需要改進：一是廚房垃圾桶，在提垃圾桶袋的時候可能把整個垃圾桶一起提起來；二是衛生間垃圾桶，在腳踩踏板的時候，垃圾桶可能會不穩.

43作品優化

對于廚房垃圾桶，可以在隔層中增加配重物，這樣就不會在提垃圾袋的同時將垃圾桶也一起提起來.

對于衛生間垃圾桶，可以將底盤做的稍大一點，以增強垃圾桶的穩定性.

5作品評價與展示

5.1作品評價

主要從實用、美觀、可操作性角度去評價.分四個等級，分別是優秀、良好、及格、不及格.

優秀：造型美觀，有新意，能夠很流暢的發揮既定的功能，組裝時部件的契合度高，協調性強.

良好：基本功能能夠發揮，外形漂亮，但部件間組裝時有較大縫隙，整體契合度不強.

及格：基本功能可以發揮，但外形一般，部件間銜接粗糙，有較大縫隙，契合度差.

不及格：基本功能無法發揮.

5.2作品展示

在班級內部評選，選出2-3件優秀作品參加校級科技創新作品展.學生可在學校范圍內進行宣講，介紹自己的作品，全體學生不記名投票，選出最佳作品，頒發證書，并在學校宣傳欄和網站上公布.

6拓展與應用

本設計方案是針對家庭里的垃圾桶，是否可以把該設計的應用范圍擴大到其他環境和領域？哪些地方需要收納但是單手不便完成？比如商場的垃圾桶，快餐運送包裝箱，殘疾人便利項目等，而且我們不需要拘泥于一定是垃圾桶、收納盒，甚至在我們上面設計中用到的一些材料、方法都可以進行拓展.比如，自清潔納米材料，我們還可以用在生活中的哪些地方？餐桌可以嗎？墻壁可以嗎？再比如，按鈕式可控長度開關我們還可以用在哪些地方？可控升降座椅可以用到嗎？引導學生將設計的成果擴大化，應用到更加廣闊的領域中，方便我們的日常生活，在解決實際問題過程中，提升學生的綜合應用能力，也即提升學生的物理核心素養.

參考文獻：

[1]韓敘虹.基于物理核心素養的STEM教學的實踐與探索[J].中學物理，2018（3）：2-6.

[2]黃皓，王月.基于STEM教育的物理實驗設計[J].中學物理，2018（4）：29-31.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]https：//zhidao.baidu.com/question/436894268541221604.html