基于STEAM理念的物理綜合實踐活動
——以“制作桿秤”為例

趙宗友

(重慶市大足區城南實驗學校，重慶 402360)

在初中物理綜合實踐活動中融入STEAM教育理念，可以讓學生深刻理解與物理有關的科學、技術、工程、藝術、數學等知識,有利于提高學生的科學思維能力。[1]在教學實踐中，筆者設計了制作桿秤的活動,引導學生展開融合STEAM教育理念的初中物理項目式學習活動，綜合實踐與STEAM教育理念碰撞出了創新的火花。

1 基于實際，發現問題

《中國學生發展核心素養》提出的“核心素養”是各學科教育落實在學生身上最有價值的必備品格及關鍵能力,是個體在面對復雜的、不確定的現實問題時,能夠發現問題、解決問題的綜合品質。[2]然而，面對升學的壓力,部分教師會偏重于知識與技能的傳授,忽略方法的指導,導致學生的實踐能力、創新能力以及發現問題和解決問題的能力不能得到應有的提升。為此,教師可以充分利用綜合實踐活動,融合STEAM教育理念，給學生搭建平臺,創造更多實踐的機會,培養他們的科學探究能力、創新能力,進而促進其核心素養的全面發展。

2 融會貫通，創新實踐

2.1 激趣導入

請學生猜一個謎語：“小小砣,壓千斤”,打一生活中的測量工具，謎底是“桿秤”。教師接著展示生活中的桿秤，啟迪學生思考,體會物理源于生活。

播放視頻：非遺傳承人制作桿秤的工藝,視頻介紹了桿秤的結構、用途、歷史和文化背景,秤還是公平公正的象征,是天地良心的標尺。通過視頻和解說讓學生明白桿秤承載著中華民族的千年歷史和璀璨文化,從而讓學生經受“家國情懷”“人文素養”的熏陶。

2.2 背景知識

情境創設：用桿秤稱量一個蘋果的質量。

知識喚醒：展示稱量過程，利用現象與問題喚醒學生的知識記憶。

知識要點：對桿秤進行受力分析，杠桿再認識，杠桿五要素，杠桿平衡條件。

2.3 項目實施

2.3.1 確定制作材料

問題1：秤桿如何選擇?

學生提出用木棒來做秤桿,其造型可滿足精美的要求,卻因不便于打磨而被其他同學否定。也有學生提出用較細的不銹鋼條做秤桿,可以稱量質量更大的物體,又因鋼條容易變形、不便于標注刻度而被否定。經過討論，他們認為用竹筷或木筷做秤桿更方便。

問題2：秤砣如何選擇?

學生建議選用較大的螺絲、螺帽、橡皮、鐵鎖等,從實用性、美觀性的角度考慮,最終確定用螺帽或鐵鎖做秤砣。

2.3.2 提紐和秤盤位置的確定

討論交流：學生根據所學知識、生活經驗進行交流討論，認為提紐和秤盤確定的基本原則是美觀、操作方便，便于刻度標注和量程的選擇。

方案確定：把秤盤固定在距離筷子較粗的一端1 cm的位置,而提紐固定在距離筷子較粗的一端2 cm的位置。

2.3.3 確定刻度線

問題1：如何確定零刻度線(定盤星)的位置?

學生根據自己的生活經驗很快確定了方案,手提提紐,調節秤砣的位置,使筷子水平平衡,懸掛秤砣的細線所在位置便是桿秤的零刻度線,即定盤星的位置。

問題2：如何標注30 g刻度線的位置?

交流討論：標注刻度的原理是杠桿平衡條件，確定給桿秤標注刻度的方法。

方案確定：在秤盤里放入30 g的砝碼,手提提紐,調節秤砣的位置,使筷子水平平衡,這時懸掛秤砣的細線所在位置便是30 g刻度線。同學們按照同樣的方法分別標出10 g、20 g、40 g等刻度線。

實踐操作：通過小組成員的共同努力,一把把桿秤陸續制作完成。同學們紛紛利用自制的桿秤稱量身邊的一些小物品的質量，成功的喜悅之情油然而生。

問題討論：在稱量過程中，同學發現自制桿秤存在不足：分度值太大,導致測量值不夠精確。

解決方案：各小組又開始積極討論,尋求解決問題的辦法。在此過程中,教師適時引導學生觀察自制桿秤已經標出的刻度線的間距,他們驚奇地發現每兩個刻度間的距離是相等的,即刻度是均勻的,于是提出改進方案:只需把每個大刻度平均分成10個小刻度,分度值就由10 g減小到1 g,便能有效提高精確度。

問題3：桿秤的刻度為什么是均勻的?

理論分析：在作圖的基礎上利用杠桿平衡條件進行分析(圖1、圖2)，O表示提紐所在位置(杠桿支點),A表示提紐左端部份秤桿的重心位置，B表示提紐右端部份秤桿的重心位置，C表示未稱量物體時秤砣所在位置(桿秤的零刻度線),D表示稱量物體時秤砣所在位置,E表示所稱量物體對秤桿所施加拉力的作用點位置,ΔL表示稱量時秤砣從零刻度線向右移動的距離。

圖1

圖2

科學結論：通過理論分析，推導出秤砣從零刻度線向右移動的距離與所稱量物體的質量成正比,進而證明了桿秤的刻度是均勻的，還能進一步推斷出秤桿自重和提紐的位置不會對測量結果產生影響。

問題4：如何制作一把最大測量值更大的桿秤?

交流討論：從理論與實踐兩個方面進行討論與交流，引導學生利用杠桿平衡條件，通過作圖進行分析。

方案確定：減小提紐到秤盤間的距離,也可以增大秤砣的質量,還可以選擇更長的筷子做秤桿等等。

2.4 成果展示

如圖3所示,同學們在成果展示過程中收獲滿滿,喜悅之情溢于言表。他們選擇了生活中常見的物品作為主要材料,融合科學、技術、工程、藝術和數學等相關知識,在合作中制作出了精美的桿秤(圖4)，雖然結構簡單,卻更容易揭示出事物的本質,解決了杠桿平衡條件在生活中應用的難題,效果良好。

圖3

圖4

3 總結反思，收獲感悟

核心素養的培養目標不是灌輸式教學所能達成的,而是要突出學生的實踐體驗、知識建構及知識運用。[3]實踐證明,融STEAM教育理念于物理綜合實踐活動之中，對學生物理學科核心素養的培養具有積極的促進作用,它能鼓勵學生從物理的視角觀察生活,利用多學科知識解決生活中遇到的問題,以此服務于生產與生活,認識科學、技術、社會、環境之間的互動關系,逐漸形成探索自然的內在動力。從長遠來看,在教學中融合STEAM教育理念，既有利于學生鞏固所學知識,提高應用能力，也有利于充分挖掘學生潛在的創造力，還有利于培養他們發現問題、分析問題和解決問題的能力。與沉溺于題海戰術的教學相比,這更能激發學生的學習動機,有助于進一步提高學生開展科學探究的積極性。