融合STEAM理念和地域文化的物理教學

設計和實施具有地域文化特色的課程，既能幫助學生進一步掌握學科知識，又能傳承和弘揚地域歷史文化。STEAM理念強調科學、技術與社會和環境的相互關系?？鐚W科融合是學科發展的趨勢，也是產生創新性成果的重要途徑。筆者以北京石景山模式口古道為背景，基于STEAM理念在北京首條磁懸浮列車S1線上展開了物理學科實踐活動，讓學生體會到生活中充滿了物理問題，學以致用，感受物理學的魅力。

一、課程設計的背景

（一）響應國家基礎教育改革，落實學科核心素養

隨著基礎教育改革的不斷深入，培養學生的核心素養已成為共識。教師應重視學科實踐活動課程的設計與實施，特別關注“個人終身發展和社會發展”素養的培養。教師創設真實情境，讓學生接受嚴謹的科學思維訓練，自主探究，養成積極的科學態度。實踐活動課程的開展為學生接受專業指導并深入實踐創造了機會，學科實踐是落實學生核心素養的有效路徑?！读x務教育物理課程標準（2011年版）》（以下簡稱《課程標準》）提出“從生活走向物理，從物理走向社會”的學科理念，強調物理來源于現實，也必須扎根于現實，應用于現實。學生學習物理最終目的是為運用所學知識解決問題。學生只有將相關物理知識運用到實際生活中去，才能真正內化知識。

（二）提倡跨學科融合，促進學生全面發展

《課程標準》倡導教師引導學生自主學習，教學方式要多樣化。STEAM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathematics）英語首字母縮寫，是對教育方式的一種質性描述。它是21世紀后美國弗吉尼亞科技大學的亞克曼（Yakman）教授首次提出的。STEAM的本質是跨學科整合，而不僅僅是一個或多個學科的疊加，教學內容融合了多學科的基本知識與基本技能，屬于綜合類的實踐活動課程。STEAM教育提倡將不同領域的學科（知識）在不同主題下建立聯系并用于生活，以提高學生的創造力，特別是跨境思維能力。

物理是一門精密定量的學科，一些基本定律和公式的推導與應用，都需要數學工具作為支撐。在物理實踐活動中，學生很好地鍛煉了用數學方法對物理問題進行分析和計算的能力，這體現了數學工具對研究物理問題的重要作用，實現了數學與物理的融合應用。學生在關注科技發展的同時，會高頻應用各種信息技術。在此課程中，學生用速度傳感技術繪制列車速度變化圖像，用手機傳感器軟件記錄磁場變化，用Mathematica軟件模擬真實運動情境，并以小組課堂沙龍形式匯報研究成果，制作了講解幻燈片并用繪聲繪影和Tracker軟件編輯了研究成果視頻。

二、課程內容與結構

（一）課程內容

筆者所在的北京市第九中學地理位置得天獨厚，老舍筆下《駱駝祥子》中遠近聞名的駝鈴古道就是如今的模式口街。此街自古以來就是一條交通要道，北京首條磁懸浮列車S1線就建在模式口附近，為引導學生回顧交通的變遷，弘揚地域文化，加深愛國情懷，筆者基于STEAM教育理念開展探究磁懸浮列車的教學。學生用已掌握的實驗技能和物理知識，嘗試應用科學探究的方法研究身邊的物理問題，解決問題。

STEAM教育可以是一個學科的應用，更多情況下是多學科融合。對于此次實踐活動，筆者采用以STEAM教育理念為基礎的跨學科項目式學習的形式，將信息技術貫穿整個研究過程并使之與高中階段的數學和心理人文學科內容完美結合（如圖1）。

（二）課程結構

2017年年底，北京首條中低速磁懸浮列車S1線正式開通，設計時速100 km/h。列車運行時，靠電磁鐵與軌道產生的電磁吸力使列車浮起，不會出現車體與軌道激烈的摩擦聲。與普通地鐵相比，磁懸浮交通擁有眾多優點。大部分學生根據已學知識對S1線的加速度、向心加速度、運動情況和磁場等物理知識表現出濃厚興趣，部分學生還想了解S1線的外觀設計以及人文關懷。筆者最終確定了STEAM教育理念下跨學科物理學科實踐活動課程結構（見表1）。

三、課程實施及反饋

（一）課程實施

筆者為學生提供如下實驗器材：導軌、小車、速度傳感器、筆記本電腦、一盒水、藍墨水、擺球裝置、乒乓球、攝像機等。筆者將學生分成5個小組，讓他們參與磁懸浮S1線物理學科實踐活動，各組自主研究具體的課題。

1.探究S1線啟動時的加速度大小（第1組）

筆者讓第1組學生參考《物理通報》相關論文，用速度傳感器法和水面法^[1]做實驗。速度傳感器法：學生利用實驗室中探究牛頓第二定律的實驗儀器，將導軌平放在地面上，然后將小車上安裝速度傳感器放置于導軌最前端。當列車啟動時，小車獲得與列車相同的加速度開始運動。學生通過數據采集器采集列車啟動時的速度隨時間的變化數據，通過電腦中的數據處理軟件DISLab繪制v-t圖像，獲得S1線啟動時的加速度。水面法：學生準備透明正方形盒子，裝入礦泉水。為使實驗效果更易觀察，學生在水中滴入幾滴藍墨水。盒子被平放在地面上，當列車啟動時，盒中的水會獲得與列車相同的加速度，液面開始傾斜。學生用數碼相機拍攝列車啟動時液面的變化情況，用數學方法計算加速度。學生隨后進行數據處理，利用速度傳感器測得a≈0.73 m/s²，用水面法測得a≈0.68 m/s²，并對數據進行誤差分析，發現誤差原因：列車出站時不是勻加速直線運動;測量結果為瞬時加速度而不是平均加速度。課堂上學生的展示與匯報工作有3項：敘述實驗方案的選取過程;展示速度傳感器的構造以及探測加速度的原理和結果;展示水面法實際操作視頻和實驗結果。

2.探究S1線啟動時的加速度（第2組）

筆者讓第2組學生用擺線法^[2]探究S1線啟動時的加速度。筆者為學生準備了鐵架臺、細線和小球，供學生制作單擺模型。單擺模型被平放在地面上，當列車啟動時，小球會獲得與列車相同的加速度開始遠離鐵架臺向后擺動。學生用數碼相機拍攝列車啟動時小球擺動情況，用數學方法計算加速度，隨后對數據進行處理，用懸線法測得a≈0.98 m/s²。他們分析造成誤差的主要原因有：測量結果為瞬時加速度而不是平均加速度;列車在不停晃動。課堂上學生的展示與匯報工作有3項：敘述實驗方案靈感來源;展示實驗視頻，介紹儀器裝置，抽象成物理模型，進行受力分析，得出結果;分享感受。

3.探究S1線轉彎時的向心加速度（第3組）

筆者引導第3組學生用懸線法^[3]探究S1線轉彎時的向心加速度。學生利用鐵架臺、細線和小球，制作單擺模型，將其平放在地面上。當列車轉彎時，小球會遠離平衡位置開始擺動。學生用數碼相機拍攝列車轉彎時小球擺動情況，用圓周運動向心加速度公式計算S1線轉彎時向心加速度。為對比實驗數據與理論數據，學生找到S1線運行的衛星圖，根據圖片數據算出結果，隨后對數據進行處理：利用懸線法測得a≈1.4 m/s²，測之前預估a≈1.5 m/s²。學生分析造成誤差的主要原因：測量結果為瞬時向心加速度而不是平均向心加速度;列車在不?；蝿?。課堂上學生的展示與匯報工作有3項：根據衛星圖預估數值;展示利用懸線法測量的視頻，介紹如何做受力分析求向心加速度;比較實驗結果與預估數值。

4.探究不同參考系下小球自由下落的運動情況（第4組）

為研究不同參考系下小球自由下落的運動情況，第4組學生做了3組對比實驗：列車靜止時釋放小球觀察小球運動情況;列車勻速行駛的狀況下人在車內觀察小球運動情況;列車勻速行駛的狀況下人在車外觀察小球運動情況。學生用數碼相機拍攝慢動作小球下落情況，用tracker軟件追蹤小球的運動軌跡并用物理知識分析其運動。為驗證實驗的正確性，學生用模擬軟件Mathematica進行理論模擬。車靜止時，小球做直線運動。車勻速車內觀察時，小球做直線運動。車勻速車外觀察時，小球做曲線運動。學生誤差原因是將列車剛剛出站時的運動近似看作勻速運動。課堂上學生的展示與匯報工作有兩項：說明研究內容來源于一道題;分別展示這3種情景下拍攝視頻，觀察小球的運動軌跡并結合畫圖軟件得到的理論模型，利用物理知識從3個角度分析小球運動的原因。

5.探究S1線的人文關懷（第5組）

S1線的設計在哪些方面體現了人文關懷，第5組學生做了深入探究。他們在課堂上展示了S1線的設施照片，包括車門標、座位、滅火器、呼吸機等，說明S1線基礎設施完善，滿足乘客多樣化的需求，非常人性化。此外，研究S1線磁懸浮列車的磁場強度，比吹風機的磁場強度還小，乘客可以放心乘坐。學生隨機采訪乘客，發現S1線的開通運行讓人們出行更加便利。

（二）課程反饋

學生將研究過程及結果以課堂小組展示的形式呈現了出來。為得到及時的反饋并更好地改善課程，筆者對學生進行了問卷調查。學生對課程活動給予了高度的評價。以模式口古道地域文化為背景，基于STEAM教育理念開展磁懸浮S1線物理教學實踐活動讓學生第一次走出課堂，走進社會。實踐證明，學生參與學科融合實踐活動，不僅可以增強他們對學科的興趣，讓他們學以致用，鞏固課堂所學，而且可以提高他們的動手、協作能力。

參考文獻

[1] 羅志恒，浦隆堯，譚笑，等.高鐵和地鐵，哪個加速度大？——記一次研究性物理學習活動[J].物理通報，2011（11）：53-54.

[2] 楊曉東，唐齊林.測量地鐵加速度的曲折之路——記一次研究性學習活動[J].物理教學探討，2015（9）：64.

[3] 喬永海.關于公路的彎道測量——高中物理研究性學習案例[J].物理教學探討，2007（7）：13-15.

（作者系北京市第九中學教師）

責任編輯：祝元志