STEM教育項目下初中物理科技活動實踐與思考

黃靈萬

【摘要】基于STEM教育項目下水火箭的制作與發射實踐活動，從設計到實踐、從實踐到展示，闡述基于STEM教育理念，在初中物理科技活動實踐過程中開展適合校情本項目實踐，使學生在參與項目的過程中，引導學生用可樂瓶制作簡易的水火箭，進行水火箭發射的實踐活動，從而使STEM教育落地生根，真真正正地培養出創新人才。

【關鍵詞】STEM教育項目;初中物理;科技活動

目前，STEM教育在粵西北地區發展處于剛起步階段，學校的STEM教育存在以下兩個問題：①缺乏專業的理論指導，對STEM 概念的理解不清、理論研究極度欠缺，無現成的教學標準和具體的教材內容，導致實踐中出現盲目照搬套用現象等。②缺乏有針對性的具體活動項目支撐。目前的STEM教育活動中，學生真正動手動腦的機會很少，學生的創新精神和動手能力難以在實際活動中得到真正的提升，STEM教育缺少有效的實踐操作支撐。因此，課題組研究團隊的物理、信息技術、美術教師通過梳理本學科中的STEM教育素材，因地制宜地開展STEM項目科技實踐活動。下面以“水火箭的制作與發射”實踐活動為例，如何將提供一些數學、工程、技術融入物理（科學）課堂的一些思路和有效的教學手段，闡述怎樣在物理教學中融合STEM教育，幫助學生發展科學、技術、工程、數學的綜合素質，提高學生的科學素養。

一、項目簡介

水火箭又稱氣壓式噴水火箭、水氣推進火箭，是利用廢棄的碳酸飲料瓶制作成動力艙、箭體、箭頭、尾翼的火箭。瓶內注入一部分水，利用高壓打氣筒充入空氣到達一定的壓力后橡皮塞爆發，瓶內水和氣迅速噴出，在反作用下發射升空，推動箭體沖向空中。水火箭的制作與發射原本是初中物理學科STEM課程的一個經典活動，但是由于中考壓力，很少教師會利用物理課指導學生制作發射水火箭。而水火箭的制作與發射包含了設計所需經歷的全過程：提出問題、方案設計、動手制作、發射試驗、優化設計，成為初中物理學科STEM課程實踐項目的一個不可多得的經典案例。在設計的實施過程中，努力以培養學生的物理核心素養，強調了學生動手參與制作，在制作中體驗物理課本知識的應用，把知識貫穿在操作過程中，讓學生學以致用。如，利用現有的物理知識引導學生進行水火箭的制作，學生合作設計架構、方案、裝配圖、尺寸大小，加強學生之間的分工和輔助制作，以提高學生們的設計及交流能力。通過思維導圖流程的方式展示小組合作分工與環節對接，以提高制作與發射水火箭的效率。通過設計評價的知識，培養學生學會用文字或數據記錄，確保整個項目能按照原計劃順利完成。通過分析發射水火箭試驗失敗的原因，引導學生提出新的問題，并進行思考，通過優化原有設計方案，及時解決現存的問題。培養學生有動手能力，可以讓學生直觀了解導彈，運載火箭的發射升空，回收的過程，使廣大青少年了解航天科技，熱愛航天科技，為國家航天事業培養、造就、輸送優秀人才。

二、STEM項目的要素

從自然科學、工程、技術、數學等方面對水火箭的設計提出相對應的水火箭原型。項目圍繞制作水火箭和發射，利用高壓打氣筒充入空氣到達一定的壓力后按啟動，瓶內水和氣迅速噴出，在反作用下發射升空，推動箭體沖向空中。

S（科學）：在“水火箭制作”項目中，要求知道力是改變物體運動的狀態;知道空氣對運動物體具有阻力;通過探究感知空氣阻力的大小與面積、形狀、速度有關;知道阻力能使物體減速;初步研究飛行中的水火箭沖擊速度和高度，同時，在發射過程中避免造成圍觀學生的創傷;初步理解水火箭安全下落;能運用控制變量法對水火箭的面積、形狀、箭頭材料、箭長、箭重的選擇進行研究。

M（數學）：能依據水火箭圖片資料運用相似比估算箭頭大小;制作箭頭重量過，發射的角度。

T（技術）：能依據“放樣”技術，合理裁剪、拼接材料達到節約原材料的目的;能依據材料強度選擇合適的膠體粘瓶子技術，即能通過水火箭在上升過程不會脫落，更加牢固及防止纏繞;能仿制圓規原理畫較大的圓。

E（工程）：初步學習水火箭制圖技術，理解分工合作對于工程的意義，如，小組的領導協調、資料的收集、材料的保管、討論和實驗過程的記錄、工程的設計、工具的操作、產品的制作等。

三、STEM項目下活動實踐過程

1.建立小組，強調分工合作，加強學生的協作能力

STEM教育理念十分重視小組合作，強調學生在活動中要相互溝通，相互幫助，共同努力，完成小組任務;積極開展交流討論，針對存在的問題共同想辦法解決，分享收獲的喜悅。因此，我們設計活動方案的過程中，把全班40名學生，每組4人，分成10個小組，注重小組合作，以小組為單位開展的科技活動，提高學生的交往能力和合作能力，讓他們能深刻感受到集體的力量。

2.聚焦問題，提出任務

講述并提問：從自然科學的角度提出水火箭升空需要什么樣的動力條件？從技術角度出發提出水火箭的制作需要哪些材料？從工程的角度出發提出水火箭發射基座該如何設計、箭體形狀如何設計等問題。從數學角度可以提出計算得出水與空氣的比例達到最優的解是多少？

3.動手實踐，增加文字記錄，強化學生的科學表達能力

學生在參與科技活動中更喜歡動手實操，而忽視了梳理活動過程、記錄活動要點與活動心得，比如，繪制設計圖紙、記錄活動數據、分析總結活動難點等，更不用說用規范術語進行記錄和表達了。為了提高學生的文字表達能力，幫助學生反思記錄活動中的問題和要點，教師在設計活動中，應以實驗報告、學習單等輔助材料引導學生注意文字材料的積累，在填寫技術報告中，注意科學表達。

（1）制作過程方法

依據原理圖設計并制作有特色、有創意的小組火箭模型，突出設計成分，增加外觀設計要求：符合“水火箭”項目基本要求，注重創新與創意，能體現火箭發展前瞻性，設計風格鮮明，色彩搭配合理，工藝制作精美等。

①小組內部有明確分工，每2人承包一項制作任務。

②取一個可樂瓶，去掉底部的一部分，留下上半錐體部分備用。

③再取一個可樂瓶，將備用的錐體套在其底部，用膠布粘牢。

④剪一個塑料墊板，制成圓錐體，套在備用的圓錐體瓶上，用膠布粘牢;取兩個可樂瓶，截取它們的中部，將它們壓平后剪出尾翼的形狀，將尾翼與瓶體粘牢，安裝要對稱、牢固。

⑥給小組火箭模型起一個有特色、有創意的名字。

（2）進行實踐，水火箭制作與發射試驗

①發射水火箭場地——學校操場

②將火箭裝在發射鐵架臺上，然后將氣筒和氣嘴接好，在保證絕對安全的情況下發射。

③盡量在無風的情況下，分別向水火箭中注入水火箭容量的0，1/4、1/3、1/2、2/3、3/4。

④試驗后對相關數據和結果進行記錄。對試飛結果進行評估，分析可優化項目并進行改正后回到階段。

⑤學生（有相機的帶相機），收集整理、反饋信息、資料。每小組發一份發射研討問題，要求小組成員在發射時從實踐中得出結論并安排專職組員做好記錄，以備模型改進。

4.項目實施的收獲與反思

活動項目結束時以小組為單位撰寫工程報告書，內容包括：預期目標、施工圖紙、技術數據、實驗數據、實驗結論、實驗感想、參與者任務等。如，讓學生撰寫科技小論文，讓學生完成水火箭的制作與發射的改進設計（包括提出改進點、改進原理、制圖、預期等），結合學科對科學、技術、工程、藝術進行融合及落實STEM項目的有益嘗試，使學生從調研、對比、設計、制作、合作、探究、交流、展示、分享等各個環節，鍛煉學生跨學科的綜合應用能力，發現問題和解決問題的能力。

總之，在物理科技活動中融入STEM項目式，重新燃起學生對科技活動的熱情，激發了學生的參與興趣和探究欲望。讓學生體驗整個設計制作過程，提高他們的動手、動腦能力和培養積極探索、勇于創新的精神。為了提高火箭發射高度，讓學生學會分析優化設計方案，提高試驗效果的科學工作方法，逐步提高學生的創造能力。通過開展物理科技活動將有力地引領、推動STEM教育實施，營造學校、社會、家庭高度重視的良好氛圍。

責任編輯? 梁國勝