物理核心素養與STEM教育理念的融合教學例析

王呈平

摘 要：物理學是一切科學、技術以及工程設計的基礎，而物理核心素養的構建與STEM教育有著天然不可分割的聯系。物理核心素養中的物理觀念和科學思維是處理一切將理論轉化為技術或工程的第一步。本文就如何在高中物理教學中實現物理核心素養教育并融合STEM教育理念，結合實例進行闡述。

關鍵詞：物理核心素養;STEM教育;科學思維;科學素養

物理核心素養的基本要求是受教育者形成基本的物理觀念、具備科學思維和科學探究基本能力、樹立正確的科學態度和價值觀以及社會責任。STEM教育是科學、技術、工程和數學教育的統稱，要求受教育者具備科學素養、技術素養、工程素養及數學素養。可見物理核心素養和STEM教育有著天然聯系。教學過程中實現二者的融合，可以更好地培養能夠適應自身發展和社會發展需要的全面發展的人。筆者以高中物理《生活中的圓周運動》一節為例，闡述物理核心素養和STEM教育的素材挖掘，在教學過程中滲透科學素養教育。本節內容是圓周運動的應用課，選取的每一個例子都很有代表性。

一、鐵路的彎道

教學過程首先播放列車轉彎的視頻或者彎道處圖片。在學習了圓周運動及向心力的概念后，這個實例的分析首先交給學生從中抽象物理概念并建立物理模型，強調物理觀念和科學思維的實際應用。學生對列車轉彎的運動容易建理圓周運動模型，但是對于圓周運動的圓心位置及向心力來源又較容易產生疑惑;需要教師合理引導學生。通過從不同視角展示列車轉彎的運動模型。顯然，這是一個水平面內的圓周運動問題，難點在于：列車轉彎所需的向心力從哪里來和軌道圓心在什么地方。進一步讓學生自己分析轉彎的列車的受力情況。此處教師可說明沿軌道切向的牽引力和阻力對向心力沒有貢獻。

二、拱形橋與凹形橋以及航天器中的失重現象

學生不難看出，交通工具通過拱形橋和凹形橋的運動過程可抽象為豎直面內的變速圓周運動。為明確應用物理規律解決實際問題，我們只分析汽車通過橋面最高（低）點時的情況。在分析受力的情況下，聯系向心力概念不難得出速度大小與汽車隊橋面壓力的關系。我們很容易看出凸形橋和凹形橋的優劣勢，讓學生體會工程與技術跟物理知識的緊密聯系，并思考對照生活經驗與理論知識的統一。進一步的教學更加深化了物理模型的拓展應用，此處著重分析了教材“思考與討論”問題。汽車通過橋面最高點時脫離橋面的情景討論和計算，學生容易從物理規律角度分析計算;那么將地球看做一個巨大的拱形橋，地球表面運動的物體是否可以脫離地面呢？顯然，這種情景已經實現。所以將該模型應用于航天飛機的運動，讓學生體會物理模型的奇妙之處，將“天上”和“地面”上的物體的運動規律統一了起來，同時順理成章地理解了航天器中的失重現象的本質。此處的教學很好的融合了物理核心素養和STEM教育理念。

三、離心運動

離心運動的實質是慣性的一種表現。實際生活中大多同學都有過這種經歷或體驗，所以認識這種現象并不困難。然而如何用科學的物理概念和準確的物理術語解釋和說明這種運動是難點。此處教學過程應重點在于物理知識的進一步深化和科學思維的教育，即離心運動的本質是慣性的表現，不是“離心力”的作用。此處筆者設計引入了這樣一個例題：已知對一根桿施加拉力FT，則FT與桿的截面積A之比稱為桿的抗張強度。當拉力和截面積之比超過極限抗張強度S時，桿就會斷裂。求S=109N·m2的鋼制圓盤的極限轉速。已知該圓盤的直徑D=500mm，鋼材料的密度ρ=7.6×103kg/m3。

解析：轉動的圓盤內部各質元都做圓周運動。設一個半徑為R，厚度為a的該鋼制圓盤。在圓盤上任取一個半徑為r（r

ds=rdθ? ?dm=padrds=pardrdθ

它所需向心力 F=rω2dm=r2ω2padrdθ

而其他質元對它的作用應力情況如圖1所示，可知，這對應力的合力F指向盤心，有：

當dθ足夠小時，? ? ?，聯立可得：

記轉速為n，則有? ? ，則

可見，FT與r2成正比，顯然應力最大處在圓盤邊緣，最大的應力

圓盤的極限抗張強度

由此求出極限轉速

代入已知數據解得：

當轉動的物體轉速過高時會因應力過大而斷裂，所以在工程設計過程中應合理選擇材料，嚴格計算極限轉速，規定安全使用轉速不能高于極限轉速，保證安全生產和使用。

伴隨著人類社會的變革與進步，教育也必將首當其沖面臨新的變革以適應未來社會的需要。物理核心素養教育和STEM教育的核心價值也正在于此。物理核心素養教育和STEM教育里面最困難的一部分是整合教育資源，挖掘教育素材。很多時候整合的概念不僅是看表面，還應該注重實際內容的連接程度。用科學探究和工程設計為基礎，科技素養和數學思維為輔助，真實情景連接各部分。