淺談STEAM教育理念的實踐探索

王曉

摘 要： STEAM教育理念倡導孩子超學科學習，注重學習與現實世界的聯系，往往是引導學生從學習和生活中發現問題，構建需要完成的項目，并利用學生本階段所學習的科學、技術、工程、藝術、數學方面的內容，完成并進一步完善項目，使學生在學科之間，相互支撐，相互補充，共同發展.在相互碰撞中，培養各方面技能和認知，強調學生的主動探索精神.本研究以對“密度計”的改進為例，進行了在課堂中利用STEAM教育理念引導學生從學習和生活中發現的問題，找出可研究的項目，設計方案，完成項目的實踐探索，對STEAM教育理念應用于中學課堂和如何培養學生的核心素養具有一定的指導意義.

關鍵詞： STEAM教育;核心素養;液體密度測量儀

STEAM教育是科學、技術、工程、藝術與數學五門科目首字母的組合，倡導學生超學科學習，注重學習與現實世界的聯系，往往是引導學生從學習和生活中發現問題，構建需要完成的項目，并利用學生本階段所學習的科學、技術、工程、藝術、數學方面的內容，完成并進一步完善項目，使學生在學科之間，相互支撐，相互補充，共同發展.在相互碰撞中，培養各方面技能和認知，強調學生的主動探索精神.STEAM教育目前在國內還屬于探索階段，針對其定義，目前普遍認為STEAM教育是有目的、有方法地將科學、技術、工程、藝術、數學進行系統地融合，來解決真實世界問題的教育.筆者認為STEAM教育并不是要把原本建立起來的學科概念全部消滅，重新建立一個新的科目，而是作為一個教學理念，指導一線教師，在進行本學科教學時，不要忘記學科間知識的融合，不要忘記，一切教學任務應圍繞培養學生的核心素養、培養學生解決實際問題的能力而展開，而不僅僅是為了掌握本學科的知識.基于以上教學理念的指導，筆者經常會思考如何將STEAM教育真正應用于課堂中，也進行了一系列的實踐探索，筆者在研究的基礎上發現在階段性學習后，引導學生利用學科融合的思維對教材所提及的內容進行改進，并以項目式的學習方法進行推進，符合STEAM教育理念的本質要求，對于培養學生的科學思維、科學探究能力與科學責任與態度起到了很好的作用，有利于培養學生的核心素養與創新思維能力.

以下是筆者在平時教學中應用STEAM教育理念的案例——“設計液體密度測量儀”的介紹.

1 教學背景介紹

1.1 課題開發緣由

對于液體密度的測量，人教版教材中第一次提到是在八年級物理第六章第三節，如圖1所示，是利用ρ= m /V 的原理來進行測量.教材所列舉實驗能幫助學生很好地運用公式ρ= m/ V ，讓學生能更熟練、更準確地利用托盤天平測量物理質量、利用量筒來測量物體的體積;并且讓學生深切地體會到改進測量方法可以減小測量誤差，從而引導學生養成善于思考更精確地測量方法的科學好習慣，提高學生的科學素養.

但是教材所列舉實驗并不能直觀地讀出具體的密度值，且操作過程較為復雜，容易出現錯誤，這種方法在實際生活中應用效率較低.

與STS思想接軌，人教版教材中對液體密度的測量提出過一次改進方案，是在八年級下冊第十章第四節“物體的浮沉條件”一節的“動手動腦學物理”中出現，如圖2所示，是依托于阿基米德原理的密度計，教材引導學生根據浮力的相關知識設計出現象更直觀、操作更便捷的密度計.

但此密度計也存在一定缺陷.

缺陷一：刻度不均勻

因為在浮力相等情況下，密度與排開液體體積不成正比，所以刻度不是均勻的，不能準確測量出所有液體密度，具有間斷性.即這種密度計放入某些較特殊的未知待測液體中，會出現沒有刻度對應的情況，所以此時只能判斷出待測液體的密度范圍，而不能讀出待測液體的具體密度值.

缺陷二： 精確度不夠

因為密度計需比較其排開液體體積的大小，才能標定刻度，會帶來較大的誤差.

基于以上液體密度測量儀器存在一些值得改進的地方，所以，由實際問題驅動，運用跨學科的頂層思維理念，運用STEAM教育，一個需要解決的項目——設計更精確、使用范圍更廣的液體密度測量儀出現了.而這也正是STEAM教育理念所倡導的，由問題驅動解決跨學科教育，旨在培養學生的科學素養、技術素養、工程素養、藝術素養和數學素養.

1.2 學情分析

本課程的學習對象是學完整個八年級物理的學生，他們掌握了密度、浮力、杠桿的相關概念，能對實際生活情境中的物理進行一定的受力分析，并經歷了長度、溫度、質量、力的測量，具備設計和改進多種測量儀器的能力.并且，在數學方面，也掌握了一次函數的相關知識;在技術、工程、藝術方面具備一定的素養.所以，學生在教師的引導下，對液體密度測量儀進行設計和改進，能培養學生對力學知識的綜合運用能力，并能較充分地挖掘學生的以上潛能，從而達到提高學生核心素養，培養學生創造力的目標.

2 主題課程的設計及教學過程

2.1 課程目標

本案例引導學生從生活實際問題出發，綜合運用已有的物理知識：杠桿的平衡條件：F1L1 = F2L2、浮力的計算方法 ：F浮= ρ液V排g、簡單的受力分析，并從溫度計的定標實驗得到啟示，并根據STEAM教育理念，引導學生分小組合作，利用科學、技術、數學、工程、藝術的相關知識，制作出操作簡單、可直觀地讀出任意液體密度的液體密度測量儀，力求培養學生的創造性思維、發散性思維，更突出學生的主體地位，提高學生的核心素養，對新課程改革在物理學科上的應用起到非常重要的作用.

2.2 流程圖（如圖3所示）

2.3 主題課程實施過程

第一階段：回顧相關知識，發現實際問題

展示課本中，對于液體密度測量的兩種方法，并引導學生分析其局限性與存在的弊端（在教學背景中已闡述，此處不再贅述），從而確立研究課題：設計一個更直觀、精確度更高的液體密度測量儀.

第二階段：分析實驗原理，設計物理模型;運用數學函數模型，分析可行性

2.3.1 引導學生根據問題分析物理原理，構建物理模型

問題1：計算和測量液體密度可能用到哪些公式？

問題2：哪些公式中的物理量比較容易通過實驗進行測量？

問題3：因變量與自變量之間最簡單的函數關系是什么？

問題4：要如何得到一個因變量為液體密度的線性關系的函數？

設計意圖：引導學生分析物理原理，綜合運用力學知識，對液體密度的測量原理進行分析，學生會根據測量工具天平，而聯想到杠桿模型，從而建立通過浮力建立密度之間的關系，并且，通過分析得到，本項目需要得到液體密度與另一個物理量的線性關系.根據密度計的原理，學生能較快速的分析出，可以利用杠桿兩邊的平衡，構建浮力與重力間的關系，而由此會引入“物體體積”和“排開液體體積”的多余變量，如果兩邊采用同一個物體，并且讓其在液體中完全浸沒便可把這兩個變量消除，從而得到一個液體密度與力臂長度的函數模型.具體分析如圖4所示.

根據杠桿平衡原理可得：

（G_物-F_浮）L₁=G_物L₂

（ρ_物-ρ_液）VgL₁=ρ_物VgL₂

ρ_液=ρ_物- ρ_物?/L₁ L₂

2.3.2 建立數學函數模型，分析模型的可行性

由 ρ_液=ρ_物- ρ_物/ L₁ L₂可知，保持 L ₁始終不變，可得ρ_液與 L ₂呈一次函數關系，即液體密度ρ_液隨力臂L₂呈線性變化，液體密度ρ_液的測量可以直接通過L₂反映出來.

可根據函數解析式，引導學生進一步確定函數圖象上兩個確定的坐標點：當L₂=0時，ρ_液=ρ_球;當L₂=L₁時，ρ_液=0，即（0，ρ_球）和（L₁，0），只要測量出小球的密度和確定L₁的具體值即可.

2.3.3 通過技術分析，確定定標方法

回顧：自制溫度計到實驗室用的溫度計的改進實驗.

提問學生：通過以上改進實驗的回顧，你可以得到什么啟示？

學生分析通過分析，從理論上進行如圖5所示的定標：

當L₂=0時，ρ_液=ρ_球;

當L₂=L₁時，ρ_液=0

這樣就根據右邊小球在標尺的位置可以直接讀出待測液體的密度.

第三階段：進行技術改進，制作液體密度測量儀

問題1：標尺、小球應選用什么材料制作更合適？

問題2：如何提高測量儀的精確度、擴大測量儀的量程？

問題3：如何使測量儀更美觀？

問題4：如何減少制作測量儀的成本？

通過問題導學的方式，引導進行小組合作，更換所選材料（如杠桿、支架、定標重物的材料），不斷進行嘗試，直至實驗操作更簡便、測量范圍更廣、精確度更高，不斷優化，如圖6所示.

最終學生制作出許多作品，有的選用廢棄的臺球、高爾夫球、灌泥沙的乒乓球來作為配重，其中廢棄高爾夫球的密度為1.2g/cm³，與大部分液體比較接近，這樣，即使想提高精確度也不需要太長的標尺;而且高爾夫球的制作與臺球相比更規范，普通臺球室的同型號不同臺球也可能質量不等.而對于標尺，大部分同學選用有機玻璃來進行制作，有機玻璃質量分布均勻，而且硬度較大，不至于因太長而下垂，比較容易調平衡.標定的刻度也是利用PS等軟件，不斷進行細化，以提高測量儀的精確度.

第四階段：將儀器投入使用，檢驗實際效果

不同小組的學生，交換各自制作出的液體密度測量儀，測量水、酒精等已知密度的液體，都較為準確.

各小組交流分析，總結各小組所制作儀器的優點，并總結后期的優化方案：

（1）目前所設計出密度計精確度最高為0.01g/cm³，仍可通過將杠桿做長，或增加等分份數，提高精確度，減小誤差;但是在選材和技術方面還要通過進一步嘗試;

（2）實驗裝置采用廢棄的高爾夫球定標，取材方便，非常環保;但廢棄高爾夫球的密度為1.2g/cm³，只?能測量密度為0～1.2g/cm³的液體，如果想要擴大測量儀的量程，仍要在選材上進行不斷嘗試.

3 案例評價

（1）本案例是對杠桿、浮力部分知識的綜合運用又與我們的生活息息相關，很好的體現了STEAM教育思想，可作為項目式教學的一個范例;

（2）實驗方法較新穎，可激發學生的學習興趣，培養學生留心生活、善于利用物理知識解決實際問題的能力;突出了學生的主體地位，有利于培養學生的創造性思維能力，提高學生的核心素養.

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