基于STEM的中學物理實踐活動創新設計
——以“回滾筒“項目為例①

(天津師范大學,天津 300387)

1 問題的提出

21世紀以來,科技進步與創新已經成為經濟增長的主要動力,加快推進STEM教育,是教育改革的重要一環。推進跨學科知識融合的STEM教育,能夠在幫助學生打好扎實的科學、技術、工程和數學知識的基礎之上,培養學生創新精神與實踐能力,促進創新型、創業型人才的成長。我國有很多學科課程與STEM教育相關聯,但都是分科教學,所以要將STEM教育理念融入到相應的課程體系中。本文以高中“回滾筒”實踐活動為例,開展STEM教育理念下項目驅動式實踐活動,結合生活中有趣、具有挑戰性的問題,把問題項目化，學生通過問題解決完成學習任務,獲得成就感。

2 基于STEM的中學物理實踐活動設計思路

STEM教育要求以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能,并能進行靈活遷移，解決真實問題。基于STEM的中學物理實踐活動應當具備以下核心特征:跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等。

“回滾筒”實踐活動面向高一學生,他們剛剛學習了“機械能及其守恒定律”的內容,對彈性勢能、動能以及機械能守恒定律已有一定的認識和理解,能夠滿足完成此活動的知識要求，據此筆者確定此活動的教學目標和設計思路如下。

2.1 教學目標

(1) 理解動能、勢能以及機械能守恒定律,培養綜合利用所學知識解釋實際問題的能力。

(2) 體驗“回滾筒”的制作過程,能將生活中較為復雜的實際現象轉化為物理模型,并進行分析和推理,獲得正確的結論并給予合理的解釋。

(3) 從不同角度對“回滾筒”提出可探究的物理問題,制定有一定創意的探究方案。

(4) 體會合作學習的重要性,體驗探索過程，享受學習物理的樂趣。

2.2 教學思路

在STEM實踐活動教學中,通過回滾筒項目來達到學習拓展的目的,將科學、技術、工程、數學等方面充分融合并加以運用。在對工程的學習和了解過程中,不斷發現、提出問題,利用科學、數學知識尋找解決途徑,最后運用技術將解決途徑具體化,通過小組分工配合,達成教學目標。

在具體活動設計中,主要從四個層次進行剖析：(1) 科學層次。需要學習機械能及其守恒定律的相關知識,例如回滾筒的回滾過程中蘊含能量轉化與守恒的原理;(2) 技術層次。主要涉及回滾筒制作和3D打印技術;(3) 工程層次。要讓學生學會發現問題、提出問題并通過實驗解決問題，不斷對回滾筒進行改進，最終完成一個精美的成品;(4) 數學層次。主要體現在數據測量、計算與統籌方面,例如回滾筒的尺寸、質量的計算以及滾動距離的估算等。

教師在整個STEM活動中為學生提供了橡皮筋、螺母、塑料瓶、3D打印機等實驗器材。

3 “回滾筒”活動的創新設計和制作

3.1 創設情境，導入新課

教師帶領學生回憶生活中的具有彈性的物體,引領學生仔細體會生活,對生活中常見的物體進行功能性的聯想,并使學生自主將材料的特點總結出來,導入新課。

教師提問：在生活中,大家一定能接觸到各種各樣有彈性的物體，比如彈簧、海綿、橡皮筋等等。這些具有彈性的物體,可以用來做什么？如果再加上一個圓筒，大家想怎樣制作？

學生回憶生活情境進行回答，在教師的啟發下聯想到滾動的筒，從而引出課題：“回滾筒”。

3.2 猜想與設計

讓學生提出猜想,并動手實驗,在探索中獲得知識,體驗科學的無窮魅力。此過程可培養學生的選擇、規劃、創造能力,猜想各個材料在“回滾筒”中的作用,并在不斷的自我否定中得到最終的答案，體現了STEM教育的體驗性。

教師提出任務：請同學們利用橡皮筋、螺母和塑料瓶制作一個能夠自由滾動的筒。要求學生提出猜想，理清設計思路。提醒學生在設計過程中注意以下事項:(1)在設計過程中,要保留作圖痕跡,不能使用給定材料范圍之外的材料進行實驗;(2)設計圖紙要有尺寸規定。

3.3 實際制作

在制作過程中,盡可能地讓學生獨立完成初步作品,但是教師要在方法上引導學生,在對STEM項目的探究過程中要注重經驗的積累、對事實規則的認識和運用科學思維方法。在設計作品的過程中,不僅是對機械能及其守恒的知識夯實過程,更是對學生統籌規劃能力的整體鍛煉。力求在學生動手動腦做項目時,能掌握并熟練應用科學規律,體驗科學規律對我們生產生活的指導作用,此過程體現了STEM教育的實證性。在此過程中，學生思考并制作“回滾筒”,以表格形式記錄實驗過程,以便日后總結、反思。

3.4 團隊協作

團隊協作環節不僅是對作品的反思與改進,更是對學生交流能力以及團隊協作能力的提升，此過程體現了STEM教育理論下創新課程的協作性。

教師引導：當用你制作好的回滾筒進行實驗時,你是否已經注意到,不同人制作的成品,它的滾動距離是不同的,那么究竟哪些因素會影響到滾動的距離呢？讓我們一起來探究一下！

學生通過探究，發現影響滾動距離的因素有:筒的形狀、橡皮筋的數量等。

3.5 客體與模型的轉化

在上一環節中，學生歸納出影響回滾筒滾動距離的因變量之后,再次進行了探索。在實驗過程中并不能保障每個回滾筒的外形和尺寸一樣,無法徹底消除誤差,但是我們可利用技術手段盡量減小誤差，例如通過3D打印技術解決回滾筒的尺寸問題。在STEM教學中引入3D打印技術,可滿足學生對未知科技領域的好奇心。利用新技術激發學生的創新興趣,從而讓學生體驗學以致用的成就感,體現了STEM教育的技術性；模型的轉化過程其實就是學科間的一種聯系和轉化,體現了STEM教育理論下創新課程的跨學科性。

3.6 使用3D制圖軟件進行繪圖

現階段的STEM教育模式已將傳統的“廢物利用”式的實踐思路，拓寬為利用技術手段激發和簡化學生創新過程的新思路。就“回滾筒”來說,3D打印技術的應用不僅解決了學生在完成作品中的繁瑣步驟和困難,使得作品更美觀，圖1為學生利用3D制圖軟件，繪制的“回滾筒”設計圖。

圖1

圖2

3.7 利用模型再探究

利用模型再研究的過程,不僅僅是完成作品后的反思,更是加深對科學規律理解的重要一步。利用3D打印機打印出來的模型(如圖2),再重新對前面的實驗進行探究,記錄回滾筒滾動的距離,改變相關參量,探究影響因素。引領學生結合所學知識進行討論,并得出相應的結論。

3.8 改進裝置

在活動的最后階段教師提出改進裝置的任務,引領學生從作品的美觀性、藝術性以及實用性角度進行改進。在改進環節,學生以數學為工具,從工程和藝術角度對作品進行改進,這種模式更能促進創新型人才的培養。

在“回滾筒”活動中，教師針對學生初步制作的裝置，提出以下問題：用牙簽來固定你的橡皮筋看起來不是很美觀,如何改進？對筒滾動的距離有沒有影響？你可以與同學進行討論、交流。

學生認真思考改進方法,并積極嘗試,在改進過程中遇到問題時會與同學溝通,尋求老師的幫助。

4 結語

STEM教育已走進我國基礎教育之中,與高中物理課程相融合,并采用了先進的技術。就“回滾筒”的實踐活動來說,3D打印技術解決了學生在完成作品中的很多問題,將藝術與科技結合起來。通過項目式學習,培養了學生的創新能力。