基于STEM教育理念的高中物理實驗教學模式初探*
——以傳感器的應用為例

袁杰 劉佳

(廣東外語外貿大學實驗中學 廣東 廣州 510540)

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)4門學科英文首字母的縮寫．STEM教育融合了4門學科的基礎知識和思維方法，通過跨學科融合能改變課程結構過于強調學科本位的現狀，激發學生的學習動機，促進學生多元智力的發展，培養學生的創新思維與實踐動手能力．

1 STEM教育與物理實驗教學整合的契機

1.1 STEM教育與物理教學的關系

物理學是一門以實驗為基礎的自然學科，常常從簡單的現象入手，通過觀察與實驗，建構物理模型，運用科學推理和論證，探究物體運動的本質，總結物理規律．將STEM教育的項目學習和問題解決為導向的理念融入物理教學中，倡導問題導向、任務驅動，從“做中學”“玩中創”，將有利于學生科學思維的形成以及探究能力的培養．

1.2 STEM教育與物理教學整合遇到的問題

在以STEM教育的理念開展物理教學過程，筆者發現在以40 min或45 min為教學單元的課堂中通常是難以達成學習目標的．突破這樣一個難題，也成為各地研究者的共同話題．

1.3 STEM教育與物理實驗教學整合的相關研究

文獻[1]在“滲透STEM 教育的高中物理教學設計——以‘油膜法估測油酸分子直徑’實驗為例”中給出以STEM教育理念設計物理教學的五步思維法，即情境導入(創設情境、建立模型、引入學習任務)、合作探究(滲透STEM開展實踐研究)、組間交流(分享不同觀點拓展研究視角)、評價總結(師生互評、總結深化認知).文獻[2]認為，創造型、制造性的“嵌入式”STEM教育可以按如下步驟來實施：問題與聚焦、調查與研究、設計與制作、展示與評價、完善與拓展、師生反思等．以上的觀點，在一定程度上對于STEM教育理念實施在物理教學起到了一定的作用，但在體現工程性方面略顯不足．

1.4 STEM教育與物理教學整合的契機

校本課程、研究性學習是學科教學的補充和延伸，充分利用學校資源，利用學生的機動學習時間，實施STEM教育，是STEM教育與物理教學整合的一條途徑．即教師在課堂傳授學科知識，提出學習中遇到的問題，擬定學習目標，課后由學生通過合作學習研究解決問題，即利用課內和課外相結合的形式實施STEM教育．在物理教學中，可以基于STEM教育的理念設計一些物理實驗，如反應時間尺的制作、過山車模型的制作、驗電器的制作、電容器電容的定量探究等．

2 教學實例

STEM教育最為關鍵的是跨學科融合，在教學中培養學生的科學思維和工程思維素養．筆者嘗試用STEM教育理念設計物理實驗教學，總結出物理小實驗教學模式．下面以傳感器的應用為例，介紹以STEM教育理念開展高中物理實驗教學的相關研究．

在學習了傳感器這一節內容后開展了小實驗“會報警的建筑模型”的設計與制作．目的是培養學生的創新能力、跨學科學習能力、科學思維及科學探究能力．通過 “傳感器的應用”的實驗教學，總結出基于STEM教育理念的物理實驗教學模式．模式如下.

2.1 制定項目學習的目的

(1)了解傳感器和報警裝置的原理.

(2)探究簡易報警裝置和建筑模型的制作方法.

(3)學習繪制平面設計圖，培養其工程思維.

2.2 問題的提出

在學習了傳感器這一節內容后，針對學習目標提出一些問題，并通過項目的實施來解決問題．

2.2.1 本質問題

(1)傳感器的工作原理是什么？

(2)什么是三視圖？如何繪制比較復雜的三視圖？

(3)Arduino Nano開發板的原理和用途？

2.2.2 驅動性問題(將本質問題轉化為適合的驅動性問題)

(1)要同時實現聲光報警，需要哪些傳感器和電子元件？如何連接電路？

(2)繪制三視圖有哪些注意事項？

(3)從硬件上就能實現聲光報警嗎？如果不能，請畫出編程邏輯流程圖和Arduino Nano開發板的線路連接圖．

(4)你能寫出建筑模型制作的工程報告嗎？

2.3 科學原理

傳感器原理：在現代技術中，傳感器是指這樣一類元件，即它能感受到諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量，并能把它們按照一定規律轉換為便于傳送和處理的另一個物理量或轉化為電路的通斷．

電機原理：通電導線在磁場中受到安培力而發生轉動．

2.4 材料及其工具

建筑外殼：輕質木板，模型木棍，5 mm雪弗板，模型貼紙，白乳膠，木鋸，砂紙，刻刀，膠槍，激光切割雕刻機等．

報警系統：電源，Arduino nano板和擴展槽各1塊，人體紅外傳感器1個，蜂鳴器1個，觸摸傳感器1個，RGB彩燈1個，杜邦線等．

2.5 制作或設計

2.5.1 模型設計

(1)模型設計需要具備的幾何知識

三視圖：三視圖是能夠反映物體長、寬、高尺寸的正投影工程圖．

比例尺：比例尺等于圖上距離與實際距離的比．

(2)模型設計的方法

數學課中學過三視圖，但是主要是針對規則的幾何圖形，對于不規則的幾何圖形的三視圖不夠熟悉，可以鼓勵學生們網絡自主研究繪圖方法，按照一定的比例尺畫出該建筑模型的三視圖．

2.5.2 制作建筑模型

(1)工程設計與技術方面的知識

就工程方面的知識而言，需要掌握arduino程序編寫、arduino電路板的使用(通過社團活動來達成)．就技術方面而言，需要掌握編程技術、模型搭建、線路連接．

(2)設計與制作

1)根據學過的傳感器方面的知識和信息技術的知識設計制作建筑模型.

2)智能家居建筑模型創新設計.

如今正是智能家居高速發展的時期，教師可以鼓勵學生在建筑模型中進行創新設計，比如說聲控開關、報警系統等，這里主要涉及到傳感器的使用．

3)在教師的指導下，學生根據所設計的圖紙，利用激光切割機、3D打印機等制作．

2.6 設計調整

根據制作中出現的問題作出適當的改進，需要融合科學、工程、技術、數學各方面的知識．測試、修改及完善研發的智能家居建筑模型，組織學生完善并測試建筑模型及配套的報警裝置，根據測試結果，組織學生進行討論分析和總結，指導學生完成智能家居建筑模型項目書．

2.7 作品交流與展示

(1)由小組長介紹本組的制作流程以及創新點，并展示項目書．各小組之間也可以相互交流，相互學習，在評比后加以改進．

(2)運行制作好的智能家居建筑報警器實施報警．

2.8 活動評價

2.8.1 教師對活動的評價

教師需要從任務發布、科學素養的培養、工程素養的培養、數學素養的培養、技術素養的培養等維度來評價整個活動，從而鑒定學生對TTP223觸摸傳感器和熱釋電紅外線傳感器原理的了解、 Arduino Nano開發板的應用熟練程度、數學運算能力和視圖能力、對激光切割機和3D打印機操作能力、科技制作文本的撰寫能力，以及團隊合作意識等．

2.8.2 作品的評價

可以從比例精確(20分)、精細程度(30分)、視覺效果(20分)、創意設計(30分)4個方面評價作品.

2.9 活動總結

本項目讓學生們了解了傳感器的原理以及建筑模型的設計方法與制作流程，學會了繪制三視圖，鍛煉繪圖能力，自己切割、制作建筑模型，鍛煉了動手能力．STEM教育的理念在物理實驗教學中得到了充分的體現，同時物理學科素養所倡導的以問題為導向、以學習為中心的教學理念也得以貫徹實施．

基于STEM教育理念的傳感器應用這一項目的教學需要6節課的時間來完成，學生們在完成“能報警的荷蘭風車”的過程中遇到了很多實際的問題，在這個過程中融合信息技術、數學、工程、技術設計等知識，通過跨學科融合解決問題．

3 按“基于STEM教育理念的物理實驗教學模式”設計實驗時的策略

基于STEM教育理念的傳感器應用這一項目的教學，整個教學過程將物理、數學、工程、技術等素養有機地融合，培養了學生的科學思維素養，以及運用所學知識解決實際問題的能力，給予了我們很多啟示．在以STEM教育理念設計物理實驗教學時，要運用以下策略.

3.1 自主性策略

基于STEM教育理念的物理實驗，以學生為中心，以項目為載體，學生在教師引導下，通過合作的方式進行多樣化的設計，最后呈現真實的產品并進行展示的一種教學模式．教師引導學生學習學科知識，學生自主查閱資料，自主學習，自主設計，自主評價．鑒于現實問題的復雜性和多樣性，如前面設計的智能報警器，在物理實驗活動中，教師應鼓勵學生提出多種解決方案，經歷提出方案、嘗試應用、反思優化的過程，培養學生發現問題和解決問題的能力．

3.2 創新性策略

基于STEM教育理念的物理實驗，不是簡單的模仿或驗證性實驗，而應該是一種創新性設計的實驗．教師鼓勵學生進行創新設計，學生提出設想，教師引導學生分析創新設計的可行性并確定實現設計所需的工具和器材．在創新設計中培養了學生的科學思維能力以及科學探究的能力．

3.3 工程性策略

在物理實驗教學活動中，要求學生能獨立進行設計，體現物理教學中對學生工程素養的培養．在跨學科教學的各個環節中形成不同的核心素養，在學科知識儲備過程中，形成了數學、物理以及工程技術的觀念．

4 結束語

STEM教育在孤立的學科中建立起一座貫通的橋梁，為學生提供了整體認知的契機．通過把各領域的學科知識和技能有機整合，學生能將各科的知識相互聯系成為一個整體，是一種跨學科的融合．在物理實驗教學活動中，按照“(1)學習目標→(2)問題提出→(3)材料及工具→(4)科學原理→(5)制作或設計→(6)設備調整或活動調整→(7)活動展示→(8)活動評價→(9)活動總結”的教學模式，以學生為主體，采用小組合作模式，明確分工，撰寫工程報告．整個教學流程，充分體現了以問題為趨動，以學生為主體的教學理念，有效地培養了學生的創新意識．