STEAM教育理念下的高中物理教學實踐研究

張濱 阮偉文

摘? ?要：新高考從3+3模式過渡到3+2+1模式，更加注重發展學生的終身能力，培養學生解決新問題的能力。STEAM教育理念強調的是能夠滲透各學科的知識，培養學生的綜合知識的能力。因此，探索STEAM教育理念在高中物理教學中的實踐研究，非常符合新高考的理念，有助于提高學生的核心素養。

關鍵詞： STEAM教育理念;高中物理;實踐研究

傳統的物理教學，教師上課經常是填鴨式教學，課堂很多都是讓學生不斷地做習題，很少啟發學生。為了應付高考，注重刷題，這樣長久的訓練下去，學生只會成為刷題的機器，而不能自主探究學習。新高考命題更加的靈活、創新，對學生的跨學科能力要求更高。現在的物理高考題很重視題目的情境性，很多學生看不懂題目，綜合素質不強，導致學生在與生活實際相聯系的題目中得分不高，而STEAM教育理念能夠培養學生綜合知識能力，培養學生在具體課程活動中學會探究、合作、動手的能力，因此STEAM教育理念在平常物理教學中的實踐將有助于學生各方面的能力的培養.

1? 高中物理教學中STEAM課程開展的價值

1.1? STEAM課程可以提高學生的通識力

STEAM教育就是集合了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）的多領域相互融合的綜合教育。STEAM教育發源于美國，它是在已有的STEM教育的基礎上融入了“A”元素，即藝術元素后發展完善而來的。此后，它迅速躍升為國際教育屆的熱點[ 1 ]。STEAM課程沒有否定任何一門學科，也沒有特別強調哪一學科，而是希望每一個學科都能夠融會貫通，形成互相滲透、互相補充的關系。比如，學生在學物理的過程當中，可以滲透語文、數學、藝術、技術各個學科的知識，讓學生在研究物理問題的時候，也能與別的學科的知識互相聯系與綜合，從而提高自己的眼界和知識面，提高將多方面知識融匯應用的能力。

1.2? STEAM課程可以提高學生的創造力

培養學生的科學精神和創造性思維的能力是STEAM教育弘揚的重要理念。STEAM課程的實施，需要有很強的數理化知識和勞動技能。在對高中物理教材中“傳感器”進行探究的時候，可以引入機器人，拓展學生的知識眼界。 STEAM教學提倡以提出問題進行教學的開展，在利用傳感器元件進行報警電路的探究時，可以鼓勵學生來設計這個實驗，提出實驗方案，發揮自己的創造力，也可以和團隊成員通過所學的知識對實驗方案提出不同的看法，進行補充，然后提出更好的方案。確認方案后，學生可以動手進行實驗探究，得到傳感器的應用和特點。在提出問題、解決問題的過程中培養學生的科學精神和學生的創造力。

1.3? STEAM課程可以提高學生的社交力

STEAM項目在解決問題時一般需要團隊完成。在設計實驗成品的過程中，團隊成員可以互相表達自己不同的見解與看法。對一個項目學生會查閱資料，提出與這個項目有關的知識，并且對這些知識進行整合。在與團隊成員溝通的過程中可以鍛煉自己的口才，協調組織的能力。動手創作的過程中需要團隊成員互相配合，在團隊合作的過程中，還需表達自己的想法。因此，STEAM課程有助于提高學生的社交力，與人合作的能力。

2? STEAM課程在高中物理實驗教學中應用

高中物理實驗是物理教學中最重要的一個環節，物理實驗教學能培養學生動手探究、收集數據以及數據處理的能力。在物理高考實驗題中，實驗題的得分率并不高，主要原因是學生在做高一高二分組實驗時對實驗原理缺乏深刻理解，對實際操作和誤差分析也不是很重視。而 STEM 教育理念的課堂以學生為中心，讓學生綜合運用跨學科知識解決真實情境問題。可見，STEM 教育理念在高中物理學科教學中發揮著重要的作用[ 2 ]。如何在高考復習中實施有效的高考實驗復習策略，既能夠提高實驗技能，又能領會實驗中的創新思維，是高三教師面臨的重要挑戰。

高中物理實驗在高考中屬于必考的內容，縱觀幾年下來的高考實驗題，基本上一個和教材原型實驗類似，另外一個是教材的創新拓展性實驗。在普通高等學校招生理科全國統一考試大綱中，關于物理學科要考查的“實驗能力”是這樣敘述的：能獨立完成“考試內容與要求”中所列的實驗，能明確實驗目的，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄、處理實驗數據，并得出結論。能對結論進行分析和評價[ 3 ]。能發現問題，提出問題，并制定解決問題的方案;能應用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題。因此，在高三物理實驗復習當中，應該要重視教材原型實驗，知道實驗目的，理解實驗原理，規劃實驗步驟，懂得分析數據，弄清誤差來源。在這基礎上，再對拓型展創新型實驗進行適當的訓練，這樣就能更有效地進行高考實驗復習。

2.1? 重視實驗原理的考查

實驗原理是整個物理實驗的靈魂。基本上每一道實驗題，都重視對實驗原理的考察。教師在講課的過程中除了對實驗步驟、目的、器材的交代，還要特別重視對實驗原理的推導。在新情境拓展型實驗當中，雖然題型比較新，但是有的時候實驗原理沒有變，因此了解實驗原理是至關重要的。

例：如圖1所示，放在長短槽內的三個小球的質量相等，皮帶所在左右塔輪的半徑也相等，則在加速轉動過程中，左右標尺漏出的紅白等分標記會________（填“變長”“不變”“變短”或者“無法確定”），兩邊紅白等分標記之比會________（填“變大”“不變”“變小”或者“無法確定”），在勻速轉動的過程中，左右標尺紅白等分標記之比為________。

這道題考查的是向心力演示儀的實驗原理：（1）同一皮帶輪的線速度大小相等;（2）同一塔輪的角速度相等;（3）當轉動放在槽上的球，小球會給擋板一個力，擋板會帶動橫臂，橫臂再向下帶動套筒，這樣就露出紅白相間的標尺，標尺的多少間接體現了向心力的大小。這道題如果知道了是向心力演示儀實驗裝置的原理，就很容易得到結論。

2.2? 考查操作步驟和誤差分析

實驗過程中，實驗操作也是實驗很重要的一個環節，實驗操作是否規范會影響到實驗的誤差大小。

例：某實驗小組采用如圖2所示的裝置“探究動能定理”，小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行.打點計時器的工作頻率為50 Hz。實驗中木板略微傾斜，這樣做______;

A.是為了使釋放小車后，小車能勻加速下滑

B.是為了增大小車下滑的加速度

C.可使得橡皮筋做的功等于合力對小車做的功

D.可使得橡皮筋松弛后小車做勻速運動

以上這兩小題考查的是用橡皮筋對小車做的功來“探究動能定理”的操作步驟，這個實驗的巧妙之處是讓橡皮筋的功有倍數關系，因此直接改變橡皮筋的條數的方法來求功，不需計算出具體數值，這樣需要將每條橡皮筋拉到同一位置。這個實驗需要平衡摩擦力，讓橡皮筋做的功就是合力做的功。因此在平常課堂中的分組實驗，教師要記得交代需要平衡摩擦力這個實驗步驟，木板要傾斜，學生一定要親自動手操作。

2.3、考查實驗的數據分析

物理實驗中很重要的一個環節是數據處理，通過實驗的數據分析能夠訓練一個人的邏輯思維能力，以及對這個實驗原理的深刻理解，近幾年高考也時常考到數據分析。

例：某同學用如圖3所示的裝置驗證機械能守恒定律。一根細線系住鋼球，在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。用光電門測時間，就能求出小球過最低點速度。如果記錄鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小ΔEp與動能變化大小ΔEk，就能驗證機械能是否守恒。如表1為該同學的實驗結果。

傳統的驗證機械能守恒實驗都是因為阻力的作功，而導致動能變化大小ΔEk小于勢能變化大小ΔEp，這組數據突破以前的認知，數據是ΔEk大于ΔEp。這題考查的是對實驗數據分析能力，原來測小球的速度主要是小球過光電門（圖4），用小球的直徑除以擋光時間。本題實驗主要是因為小球下面多的了個遮光條（圖3），遮光條的速度才是測量值，它比小球的速度要大，因為它們到懸點的距離（半徑）不一樣，因此動能就比實際值大了。但是勢能還是算小球的勢能變化，因此遮光條動能的增加大于小球勢能的減少，這是由實驗裝置引起的系統誤差，從這道實驗題可以看出分析實驗數據的重要性，雖說考的是實驗數據，但是考查的是對物理知識比如圓周運動、機械能守恒的理解，數據背后其實隱藏著一種科學的思維方法，考查的是一種邏輯分析能力。

2.4? 注重教材原型實驗，提高拓展型實驗的科學思維能力

高考實驗的題型一種是由教材原型實驗，另一種是拓展型實驗。很多拓展型實驗都是由教材的原型實驗改編。平拋運動的教材原型：如圖5所示裝置研究平拋運動的教材原型實驗，鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點飛出，落在水平擋板MN上，鋼球落在擋板上時，鋼球側面會在白紙上擠壓出一個痕跡點，上下移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復，白紙上將留下一系列痕跡點。

如圖6所示，在軌跡上取A、B、C三點，AB和BC的水平間距相等且均為x，測得AB和BC的豎直間距分別是y1和y2。可求得鋼球平拋的初速度大小為________（已知當地重力加速度為g，結果用上述字母表示）。

平拋運動拓展型實驗：如圖7所示，將該木板豎直立于水平地面上（木板表面垂直于紙面），使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞到木板并在白紙上留下痕跡A;將木板向遠離槽口平移距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞在木板上得到痕跡B;又將木板再向遠離槽口平移距離x，小球再從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，再得到痕跡C。若測得木板每次移動距離x=10.00 cm，A、B間距離y1=7.02 cm，B、C間距離y2=16.82 cm.可求得鋼球平拋的初速度大小為________。

我們把教材原型實驗和拓展型實驗相對比，拓展型實驗只是把水平槽左右移動改成上下移動，最后求的初速度用到的原理都一樣，都是依據運動獨立性：水平勻速運動，豎直自由落體運動，可以得到平拋運動的兩個公式，y2-y1=gT2，x=v0T，繼而算出v0.

高考實驗能力主要體現在兩個方面，一是對“考試內容與要求”中所列出的實驗，必須獨立地、認真地、帶有研究性的做過。通過實驗可以培養動腦和動手能力。二是能靈活運用所學過的理論、實驗方法、儀器去處理分析，研究某些未做過的實驗，包括設計某些比較簡單的實驗，這體現了一定的知識遷移能力[ 3 ]。

高考物理的特點是“源于教材但不拘泥于教材”，既考查學生完成現有教材中實驗的基本能力，又考查解決教材之外的拓展性、創新設計性實驗問題的能力。如何通過高三復習有效提高學生實驗思維與實驗動手能力，采用怎樣的策略進行實驗復習，是歷屆高三教師不斷研究的課題[ 4 ]。

3? STEAM課程在高中物理教學中的案例

物理概念的建立需要創設情境。學生在學習物理概念之前，基于生活經驗形成了大量的經驗性常識，要在此基礎上建構物理概念，必須對所觀察的現象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質特征，完成從經驗性常識向物理概念的轉變。在這個過程中，教師應促進學生科學思維的發展[ 5 ]。

在上高中物理必修1“力的分解”這節課的時候，可以給同學們介紹斜拉索橋的知識。比如第一座斜拉索橋于1955年在瑞典建成。世界最大的斜拉索橋是中國的蘇通大橋。斜拉索是中國目前最流行的橋梁之一，全國正在建設的斜拉索橋有三十余座。也可以根據地域特點，給福州的學生介紹在福州的一座斜拉索橋——三縣洲大橋。如圖8所示：斜拉索橋除了拉索，它還有塔柱和主梁。

教師可以向學生提出斜拉索橋的原理是什么？學生針對拋出的問題進行思考， 斜拉索橋承受的重量并不是他上面的車輛，而是橋本身的自重，也就是腳下的主梁。教師分析其中一個索塔， 斜拉索分布在索塔兩側，索塔和橋梁通過斜拉索連在了一起。把索塔所受到的兩個拉力進行分解，分別分解水平方向和豎直方向。如圖9所示，會發現水平向左和水平向右的兩個分力互相抵消，剩下兩個豎直向下的分力，這兩個向下的分力，一起疊加在索塔下面的橋墩上。而這兩個斜拉索的另一端受到了主梁對他的拉力作用，那這樣主梁的重力最后就通過拉索施加在橋墩上了。通過對身邊的斜拉索橋的原理進行分析，學生更有興趣去了解這座大橋的原理，這就是STEAM課程的精神體現。從身邊的事物出發，然后提出問題，在解決問題的過程中，學生的思維能力得到發展。同時，學生也對橋的歷史多了一點了解，增加了自己的人文知識。

接下來可以給學生提供一些斜拉索橋的材料，如圖10所示，讓學生在一定的時間內進行設計、拼裝，并且加入自己的創意對外表進行藝術加工，同時也可以評比出好的斜拉索橋。在斜拉索橋制作的過程當中，體現了STEAM的教育理念。

“S”： 斜拉索橋的原理

“T”： 斜拉索橋器材的連接技術

“E”： 材料的拼接本領

“M”： 斜拉索橋的拉索和塔橋需要用尺子測量

“A”： 斜拉索橋的加工與藝術設計，比如說對它上顏色

在自己動手制作斜拉索橋的過程中，學生的動手能力和探究能力得到了培養。通過測量斜拉索橋的尺寸以及對斜拉索橋的藝術加工，能夠讓自己的綜合素質得到提高，各門學科的知識在這里得到了互相補充、互相促進。同時學生互相合作，不斷的嘗試，敢于探究，用科學的思維去挑戰所學的知識，在不斷的嘗試中能夠鍛煉自己的耐心與意志力。

STEAM重視科學技術、工程、藝術、數學各學科互相綜合與滲透。在平常高中物理教學中可以不斷滲透STEAM課程理念，相信學生的創造性思維能得到發展，讓學生在動手中思考問題，有助于提高學生的實踐能力，從而提高學生的科學素養。

參考文獻

[1] 范文翔，趙瑞斌，張一春.美國STEAM教育的發展脈絡、特點與主要經驗[J].比較教育研究，2018，40（6）：17-26.

[2] 莊琳.基于 STEM 教育理念的高中物理校本課程實例[J]. 中學生數理化，2021（1）：20.

[3] 教育部考試中心.普通高等學校招生全國統一考試大綱的說明.理科[M].北京：高等教育出版社，2019： 328.

[4] 趙靜.淺談高三物理實驗復習策略[J].物理教學，2014，36（6）：25-27.

[5] 廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社， 2018： 49-59.