基于手機編程軟件開展STEM教育

莫敏

開展STEM教育是順應時代發展潮流的必要舉措。2018年教育部發布《教育信息化2.0行動計劃》，要求發揮技術優勢，變革傳統模式，推進新技術與教育教學的深度融合，真正實現從融合應用階段邁入創新發展階段。在這一政策的指引下，筆者基于編程環境，結合高中物理、數學、信息技術等學科開展STEM教育，優化教學方案，培養學生的綜合能力。

一、手機編程軟件融合STEM教育助力物理實驗教學

STEM是科學（Science）、技術（Tech-

nology）、工程（Engineering）和數學（Math）四門學科英文首字母的縮寫，其中科學知識的學習意義在于幫助人類認識世界、解釋自然界的客觀規律;技術和工程則可幫助人類在尊重自然規律的基礎上改造世界，實現與自然界和諧共處，解決社會發展過程中遇到的難題;數學則是技術與工程學科的基礎工具。STEM教育意義重大，但實施起來存在一些阻力：一些學生以為STEM教育是只針對某個學科的教育且偏離學科課程標準要求，擔心會耗費太多精力;還有一些學生以為STEM教育活動只能在學校實驗室開展;教師設計的STEM課程難度過大，部分學生常有挫敗感。

為克服教學中遇到的阻力，筆者結合STEM教育的要求，以“拋體運動”為例，引導學生在學習使用手機編程軟件App Inventor編寫程序的同時鞏固物理和數學知識，強化對規律和公式的記憶，再拋出考試真題啟發學生思考、質疑，借助生活中的物品設計物理實驗進行求證，讓學生在家里也能做實驗。筆者設計的系列活動，難度是層層遞增的，能讓不同層次的學生都能有所收獲。

二、教學活動的設計與執行

根據學生的知識基礎和接受能力情況，筆者設計了一系列教學實踐活動，計劃用三個課時在電腦室完成。綜合高中物理、數學、信息技術等學科的課程標準要求，筆者設定了教學目標（見表1）。

在物理課堂上，學生已了解“拋體運動”的理想模型特征，接觸化曲為直的分析方法。筆者讓學生先參與“編寫公式，輸出軌跡”的活動，再用運動軌跡反過來熟悉物理公式，實現對物理觀念的理解的螺旋式上升。

（一）編寫語句，輸出運動軌跡（以平拋運動為例）

學生剛接觸App Inventor，對組件設計和邏輯設計還不熟悉。筆者先用簡單的程序語言幫助學生熟練操作并模擬運行，讓他們體驗編程的樂趣并收獲成就感。此外，理想模型方法是抓住主要因素（忽略次要因素）分析問題的一種方法。教學時，筆者通過平拋運動這個理想模型滲透物理方法，為之后研究非理想模型作鋪墊。

主要編程語言如圖1所示，運動軌跡如圖2所示。

教學時，筆者先展示主要的編程語言。輸出軌跡時，學生遇到諸如顯示軌跡不多等問題，這時筆者給學生一定的思考空間，培養他們自主探究的能力。

（二）查閱資料，小組展示

分析物體運動時，需要考慮阻力。筆者提出問題：什么時候需要考慮阻力？阻力與什么因素有關？

查閱和收集資料是學生應該掌握的技能，但他們往往不知道去哪里收集資料，如何收集資料。教學時，筆者要求學生登錄某公共圖書館注冊，免費下載論文。學生分組展示學習成果，充分交流，有效表達。

（三）問題引導，掌握語言

筆者提出問題：若小球的水平速度為0，運動過程中所受的空氣阻力恒為重力的1/5，且與地面碰撞后總是以原速率反彈，如何編寫程序語言？

小球反彈的編程語句，如圖3所示。

由于小球受到阻力，向上和向下運動時合力大小不同。筆者要求學生對球進行受力分析，再應用選擇語句：如果……則……否則……

受力分析語句如圖4所示，運動軌跡如圖5所示（注：原運動軌跡為直線，為方便演示而改為曲線）。

掌握并恰當運用語句，如輸入和輸出語句、賦值語句、選擇結構語句等，是高中學生需要具備的知識與能力。教學時，筆者讓學生先想象小球的運動軌跡，再用編程的方法實現運動軌跡的可視化。圖5中的運動軌跡生動形象地顯示了阻力的作用，這也為我們開展下一個活動（求運動軌跡的長度）埋下伏筆。

（四）應用數學，融合教育

在上述活動的問題的基礎上，筆者提出問題：若小球的水平速度為0，阻力f=0.2mg，落地時離地高度為h₁，請計算小球在空中運動的總路程s。

解法1：用動能定理。

學生用全程法分析問題：mgh₁-fs=0，得到s=5h₁。

解法2：由數學歸納法。

第一次反彈的高度h₂=2h₁/3;

第二次反彈的高度h₃=2h₂/3;

……

由此歸納得第n次反彈的高度為

即為等比數列。

學生應用等比數列的有關知識s_n=h₁+h₂h₃+…+h_n，公比為q= ≠1，得到

最后解得走過的總路程s=5h₁。在此，筆者再提出新問題——如何用流程圖表示求解過程？筆者設計的流程圖如下（如圖6）。該流程圖清晰地展示了編程中的循環結構。教師教學時，可引導學生根據流程圖編寫循環語句（如圖7）。

筆者通過以上活動讓學生感悟什么是物理學，就是基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系。在活動中，筆者引導學生活用數學解決物理問題，同時，處理好數學、物理和信息技術等學科之間的關系，唯有這樣，學科才會融合互促，學生綜合能力方能提高。

（五）大膽質疑，設計實驗

筆者先用一道高考題作為引子，激發學生的好奇心。

2019年全國Ⅰ卷第18題：籃球架下的運動員原地垂直起跳扣籃，離地后重心上升的最大高度為H（如圖8）。上升第一個H/4所用的時間為t₁，第四個H/4所所用的時間為t₂。不計空氣阻力，則t₂/t₁滿足（）。

A.4

C.2

教學時，筆者不僅要求學生理清物理過程和物理規律，而且注重培養學生大膽質疑的能力，指導他們設計實驗方案進行科學探究。

基于該試題的情境，筆者提問：雖然題目中說不計空氣阻力，但是運動員向上跳起時真的可以忽略阻力嗎？請大家設計實驗來得出t₂/t₁的大小，實驗器材不限，可以是生活中常見的物品，如手機等。

對于該問題，筆者留給學生一定的思考時間。教師將具有一定復雜程度的、開放性的生活場景作為任務情境來教學，可最大限度地活躍學生的思維，提高學生的動手制作能力，達到STEM教育的目的。

關于探究運動員豎直向上跳起是否可以忽略阻力，學生提出以下方案。

方案一：手機應用市場上已經有記錄加速度的程序，可以嘗試將手機帶在身上，再原地垂直起跳。

方案二：應用App Inventor和手機自帶的加速度傳感器，自行設計出記錄加速度的程序。

如何設計實驗來得出t₂/t₁的大小，有學生受到平拋運動實驗中求重力加速度實驗的啟發，提出如下實驗方案（見表2）。

還有一些學生提出，用秒表或者手機的連拍功能來記錄時間。筆者鼓勵學生敢于去設計和實踐實驗方案的精神，并沒有急于否定學生的想法。

該活動與生活中的情境密切相連。筆者為達成實驗目的，設置問題情境，從科學探究的角度設計實驗方案或制作實驗器具，為學生參與創新和實驗活動搭建平臺，同時也讓學生意識到周圍的物品也作為實驗器材，實驗室就在身邊。

三、結論與反思

STEM教育關注學生的綜合能力發展，注重不同學科知識的融會貫通，著重培養具有創新能力和綜合素質的人才。STEM課程不只是針對某節課，而是針對系列課程或者活動，學科融合教育的理念應該貫穿整個系列課程。教師設計并實施難度遞增的系列課程，有利于讓學生在探究過程中獲得成就感。

STEM教育對教師的綜合能力提出了較高的要求。教師在教學設計時不應局限于某個知識點，要有全局觀，潛移默化地提高學生的綜合能力。

注：本文系廣東省廣州市增城區教育科學“十三五”規劃課題“基于核心素養培養的高中物理課堂教學情境生活化研究”（編號：ZC2020013）、廣州教育學會的立項課題“中學物理學科課程資源開發與利用研究”（編號：KTLX1202030673）的研究成果。

責任編輯：祝元志