物理實驗器具制作活動的STEAM教育功能初探

蘇虹 張偉

(內蒙古師范大學物理與電子信息學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

STEAM教育是集科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Arts)、數學(Mathematics)于一體的綜合教育，倡導多學科通過綜合課程相互融合，讓學生在真實的問題情境中，基于項目活動，應用多學科知識解決問題。

我國基礎教育階段的通用技術課程關注學生的技術素養，以專題或項目學習方式，促使學生運用多學科知識進行創新設計與制作，由此掌握工具的使用技能，提升解決技術問題的能力。物理實驗器具的制作是為開發物理實驗、改善物理實驗教學條件而開展的活動，通常關注的是動手解決實驗條件的不足，強調學生通過制作活動加深對相關物理知識的理解。

目前，我國中學開展STEAM教育活動的形式多為校本課程或社團活動，通用技術是獨立開設的課程，二者與特定學科內容有所關聯，但融合不夠。物理實驗器具制作則專注于物理教學，對學生技術素養和運用多學科知識解決問題能力的培養關注不足。

筆者基于指導中學生物理實驗器具制作的實踐，認為依據學生的物理基礎，恰當選取制作項目，物理實驗器具制作可同時成為通用技術課程實施以及STEAM教育的載體，可實現對學生技術素養的培育，并達成STEAM教育目標。

1 物理實驗器具制作活動可培養學生的技術素養

20世紀80年代朱正元先生提出“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的思想，對解決當時實驗儀器匱乏的問題具有重要意義。隨著時代的發展及學校條件的改善，物理實驗器具制作的工具、材料及其購置途徑都發生了顯著變化，車床、3D打印，甚至數控雕刻等高端設備逐步進入實驗制作室，通過收集生活廢棄物以及網絡購買，又可以獲取過去很難得到的材料，這就為提升物理實驗器具制作的技術水平、開展STEAM教育提供了良好條件。

1.1 通過制作活動培養學生的技術素養

在高中物理教學中，物理實驗器具制作除了關注實驗本身外，可以適當關注材料與制作技術，從而培養學生的技術素養。

比如，學生在仿制摩擦起電機時，依據靜電原理設計制作方案后，選用什么材料以及如何制作才能使起電效果最佳就成為關鍵。學生用纖維毛領替代羊毛皮作為摩擦起電機起電裝置主材料，并與摩擦靜電起電機原型進行對比(如圖1)，發現纖維毛領的毛質更緊密、柔順，將其與洗潔精空瓶組合成起電裝置效果較好。學生參照摩擦起電機原型，組裝、變更、調整制作工藝，可制出性能良好的摩擦起電機(如圖2)。

圖1

圖2

1.2 通過制作活動可提升學生的物化能力

物化能力是指采用一定工藝方法等，將設計方案轉化為有用物品，或對已有物品進行改進與優化的能力。

物理實驗器具制作是綜合性強且較復雜的實踐活動，需要根據實驗室設備條件、制作材料及預期的實驗功能等繪制設計圖，調整方案，優化部件結構。例如，學生在摩擦起電機設計活動中，完成初始設計，在了解制作材料性能、掌握一定工藝方法的基礎上優化摩擦起電機設計圖(如圖3)。

圖3

學生應用木工、金工工具因地制宜地開展實踐制作活動，經歷加工裝配流程，將設計方案轉化成物理實驗器具，提升了學生的物化能力。

1.3 通過制作活動培養學生的工程思維能力

工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的統籌性思維。制作物理實驗器具時學生經過比較、選擇恰當的方案解決技術難題，提升了學生工程設計、選擇、判斷能力，有助于培養學生的工程思維。

例如，在范德格拉夫起電機制作項目中將易拉罐作為起電裝置，學生對是否保留易拉罐內壁絕緣層展開了討論，在要素分析、整體規劃后設計制作方案。并開展探究活動。學生設計了三種方案，分別制作相關裝置，與其他部件組裝成范德格拉夫起電機，并開展靜電實驗探究：將易拉罐絕緣層打磨(如圖4)；在易拉罐內、外壁粘貼鋁箔紙(如圖5)；保留易拉罐絕緣層(如圖6)。

圖4

圖5

圖6

學生通過系列探究比較活動后，發現：保留了絕緣層的易拉罐作為范德格拉夫起電機起電裝置起電效果最好。設計多種方案解決范德格拉夫起電機起電效率低的難題，學生在組裝、測試中解決工程技術問題，提升了學生工程思維能力。

2 物理實驗器具制作是開展STEAM教育的有效途徑

物理實驗器具制作活動可以作為STEAM教育的載體，在通用技術課中開展。

2.1 物理實驗器具制作可以促進STEAM教育的項目化

物理器具制作活動在滿足通用技術課程實踐項目要求的同時，促進了STEAM教育項目化，以通用技術課倡導的“大工程、小項目”理念開展物理器具制作活動，將制作工程細化為各個制作項目，可促進STEAM教育項目化的實施。

例如，在通用技術課上制作范德格拉夫起電機時，學習小組設計了多個制作方案，將傳動裝置劃分為制作項目，以便確定發電機傳動裝置的規格。第一組用降速電機帶動透明橡膠管，在橡膠管填充薄鋼管增強其塑性，作為傳送裝置。第二組用降速電機帶動乳膠管，并在乳膠管填充中性筆筆芯增強傳送裝置的韌性，作為傳送裝置。第三組用降速電機帶動橡膠筆桿作為傳動裝置，在筆桿外纏繞橡皮筋，以增加其與絕緣膠帶的傳動能力(如圖7)。通過選取適當的材料和制作工具，將三組實驗方案設計制作成起電機裝置，通過測試、對比發現：第三組設計方案的聯動性最好且傳動效率最高。

圖7

以工程思維將物理器具制作活動細化為幾個獨立項目，應用數學建模、分析等方法解決制作問題，可促進STEAM教育的項目化和工程化。

2.2 物理實驗器具制作為STEAM教育提供了最佳載體

借助通用技術課、以物理器具制作活動為載體開展STEAM教育，不僅避免了課程資源的浪費，還節省了學生學習時間，減輕了學生學習負擔。

學生在通用技術課程中根據物理實驗器具制作要求，在物理教師指導下完成方案設計，熟練運用制作工具，通用技術實驗室為學生實踐制作提供了設備支持，物理教師為學生提供了技術和理論指導，物理器具制作活動滿足了學生的技術學習需求，為STEAM教育提供了良好途徑。

2.3 多學科實驗器具制作活動為開展STEAM教育提供思路

通用技術課與物理學科結合開展STEAM教育活動，以物理實驗器具制作作為實踐項目，為中學開展STEAM教育活動提供思路，為通用技術課程與其他學科結合開展STEAM教育活動提供參考。

例如，通用技術課與化學結合開展STEAM教育，以原子、分子結構模型制作作為實踐項目，在模型制作活動中加深學生對物質結構的理解；與生物結合開展STEAM教育，以標本制作作為實踐項目，在標本制作中提升學生對動、植物認識；與數學結合開展STEAM教育，以幾何模型制作作為實踐項目，加深學生對幾何結構認識，提升學生空間感知能力。

通用技術課與學科實驗器具制作結合開展STEAM教育活動，經過合理的課程設計，STEAM教育與通用技術課融合，并與理科課程結合開展實踐制作活動，為分科教學背景下開展STEAM教育活動提供了思路。

3 結語

物理器具制作活動可促進通用技術課程與STEAM教育融合，促進STEAM教育向項目化、模塊化發展，為STEAM教育開展活動提供了最佳載體，為多學科實驗器具制作活動開展STEAM教育提供思路，物理實驗器具制作活動可較好地實現STEAM的教育功能。