STEAM項目式學習視域下虹吸教具的創新與實踐*

陳海深，謝雪云，何卓文，吳思清，史鏡毓，楊 倩

（廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

1 引言

STEAM是科學（S）、技術（T）、工程（E）、藝術（A）和數學（M）五個英文單詞的首字母的縮寫，它包含運用這幾門學科的相關能力、把學習到的片段化的知識轉變成探究真實世界相互聯系的不同側面的綜合能力.STEAM教育是一場國家終身學習活動；是跨學科、跨學段的連貫課程群；STEAM教育是面向所有學生的培養綜合素質的載體；是全社會共同參與的教育創新實踐。”[1]2017年《義務教育小學科學課程標準》倡導跨學科學習方式（STEAM教育）.教具是教師和學生為了改進教學方法,就地取材,創造性地構思而創作出來的實驗,并且已經成為物理實驗教學的一部分,在培養學生實驗操作能力和創新能力等方面具有很好的促進作用。[2]《義務教育物理課程標準（2011 年版）》也指出，“物理課程注重實驗，物理教師注重讓學生經歷教具探究過程，提高學生解決問題的能力”。[3]STEAM項目式學習視域下物理教具開發就是要關注學生的實踐體驗和探究過程，強調解決真實問題，倡導“做”中“學”，聚焦創新與創造力培養，注重知識的跨學科遷移及其與學習者之間的關聯。[4]例如，我國臺灣學者賴恩瑩等利用樂高作為模組教具培養學生有關齒輪、力矩等工程概念.學生通過搭建樂高組件測試相關原理，不僅可以了解物理概念與知識，還在工程設計體驗中感受到這些知識的重要作用，將抽象的知識與實際生活連接起來，能夠很好地體現STEAM教育的體驗性特征。[5]

物理教具中融合STEAM項目式學習理念還可以有效促進物理課程資源的開發.學生通過操作熱彎器、臺鉆、3D打印等工具和綜合運用編程軟件、建模軟件、電路設計等現代技術，可以大大激發他們進行實驗教具創制的興趣,有效地滿足有創新想法并且愛好動手的學生的需求，引導學生從物理課程資源消費者轉變為課程資源的創造者。[6]如下以虹吸實驗的原理探究及教學反思，并結合STEAM教育開展“系列版本”虹吸教具的創新與實踐。

2 虹吸現象的古今應用及基本原理

我國古代很早就知道利用空氣進行虹吸管吸水.清人所編的《古今圖書集成·歷法典》卷九九《漏刻部》中載有呂才漏刻圖,這也是迄今出現最早的虹吸圖畫。[7]宋代蘇軾（1037～1101）在《東坡志林》卷四的《筒井用水翰法》中描述到卿筒：“自慶歷、皇佑以來，蜀始創‘筒井’，用圓刃鑿如碗大，深者數十丈，以巨竹去節，牡牡相銜為井，以隔橫入淡水，則咸泉自上.又以竹之差小者出入井中為桶，無底而竅其上，懸熟皮數寸，出入水中，氣自呼吸而啟閉之，一筒致水數斗。”[8]古代灌溉和取水所用的渴烏和現如今使用的抽水馬桶，這些都是虹吸實驗原理在日常生產、生活中的應用。

虹吸(siphon)是一種流體力學現象，無須借助抽水泵就能實現液體的抽吸而流動.借助一根倒U形管，當處于較高位置的液體充滿U形管的一端（稱為虹吸管）后，倒U形管兩端的液體產生壓強差，在壓強差的作用下推動一側的液體流過倒U形管的最高點，并向倒U形管另一側更低端口流動。

要能夠產生虹吸現象，彎管水流的出水端必須比進水端低.設進水端的水平面為A，出水端的水平面為B，向上作用在兩個水平面上的大氣壓值都是P0，但右管內在A面以下還有一段長h的水柱，所以，在右管中與A同一面上的壓強為P=P0+ρhg（P0為大氣壓強，h為水面A處進水端到B處出水端的高度差，引起管中水柱向右管流動，P為水面A處的壓強），最終由B端流出（如上圖1）。由此可知虹吸現象是由于連通器兩端液面的高度差產生的壓強差，從而導致液體流動，其實質是因為液體壓強和大氣壓強共同作用而產生液體流動的效果。

圖1 虹吸現象

3 虹吸教具的教學反思

華東師范大學版《初中科學》八年級上冊第二章的第三節《大氣壓強》中設有虹吸現象專題，并以自制九龍杯為例進行虹吸現象的實驗演示與原理介紹.雖然九龍杯制作簡易、成本低廉，但學生對虹吸現象的理解更多的停留在激發興趣階段和魔法表演層面，無法進一步對虹吸實驗現象的發生條件和演示效果進行充分的探究.對于初中生而言，如何通過教具的操作體驗和實踐探究，并在抽象思維層面理解虹吸現象的產生條件，最終建立相應的“壓強差”模型仍是一個較大挑戰。

為幫助學生更好地理解“虹吸現象”的基本原理，進一步深入探究“虹吸現象”產生的條件和改進實驗的演示效果，引發更多的探究問題和創意設計，并將老師“介紹”與“演示”的被動學習方式轉變成學生主動的“思考”與“探究”，在“實驗的可視化、操作的自動化、裝置的美觀化”等方面進行如下“系列版本”的改進。

4 1.0版本“虹吸”教具

如下圖2 所示為最簡易的“虹吸”教具，它具有廢舊利用、制作簡單、現象明顯、可重復演示等特點。而圖3 所示為1.0 版多層多級“虹吸實驗”演示教具，是圖1 的“升級版”，它能夠使“虹吸實驗”演示時間更持久、效果更明顯。其裝置均由廢舊的礦泉水瓶和吸管等制作而成。

圖2 最簡易的“虹吸”教具

圖3 1.0 版多層多級“虹吸實驗”演示教具

5 2.0版本“虹吸”教具

如下圖4 所示，該教具主要由幾塊有機玻璃板拼接而成的密閉透明硬質水箱兩個（T1、T2）、兩根較好彈性和高強度的透明PU 管、水箱支架、自吸水泵及配件組成，其中T1、T2 在頂部均開一小孔。該教具可以直觀的演示虹吸現象的原理，探究虹吸現象產生的條件和虹吸現象發生的臨界條件及其相關影響因素.下面結合具體操作方法進行分析說明。

圖4 教具示意圖

5.1 實驗材料

有機玻璃板（厚度為5mm）、黑色氣動手閥開關BUC-12、PU 管（管徑為12mm）12*8mm*10 米、PU管直通12mm、PE 三通管12mm、三氯甲烷溶液*150ml。

5.2 實驗工具

HM-J1310 金屬非金屬激光切割機、365-5V 自吸水泵、有機玻璃膠水。

5.3 創新設計

2.0版裝置由透明的亞克力板制作而成，包括容器中引導水流的PU 管都使用透明材質，在視覺上增強“可視化”效果和“美觀化”程度；此外通過安裝自吸水泵實現從原先的手動開關變為自動控制，在解決手工操作的同時也避免演示過程需要反復裝水的麻煩，使水的循環自動化，可以持續穩定的展示虹吸現象和反復進行實驗演示。

5.4 科學探究

（1）打開抽水機往高、低水箱內注水.觀察到低處水箱中液面高過PU 管頂部時，停止進水.（開關②、③ 閉合，開關④、⑤ 打開）。此時虹吸現象發生，低處水箱的水通過PU 管進入到高水箱中，通過管口F 流出（如圖5）。

圖5 虹吸現象

（2）打開開關③，閉合開關⑤；觀察左邊水流情況。虹吸現象繼續發生，

此時低處水箱的水通過PU 管進入到高處水箱中，通過管口G 流出，管口H、F

均不出水。

（3）打開開關②，閉合開關④；觀察左邊水流情況；虹吸現象停止，此時低處水箱的水無法通過PU 管進入到高處水箱中，管口H、G、F 均不產生水的流動。

在高、低水箱上設有兩個小孔，堵住其中任一小孔，原本產生的虹吸現象會因為被壓水箱中有限的大氣壓強而被迫停止.當松開小孔后，原本暫停的虹吸現象又會再次發生。

6 3.0 版本“虹吸”教具

3.0版虹吸教具（下圖6）在2.0 版基礎上加入了數字化硬件模塊（下圖7），3.0 版虹吸教具在可探究性（Science）、技術含量（technology）、工程設計（Engineering）、教具美觀度（Art）以及數字化硬件（Mathmatic）等方面較好的融入STEAM.在原來2.0 版“實驗的可視化、操作的自動化、裝置的美觀化”基礎上，在“探究的變量化、設計的工程化、技術的數字化”等方面繼續進行創新與改進。

圖6 3.0 版虹吸教具

圖7 數字化硬件模塊

在3.0 版的設計中充分考慮虹吸現象產生條件和臨界條件及其相關影響因素，提供盡可能的變量操作，以便能深入開展虹吸現象的科學探究與實踐體驗，有利于學生掌握虹吸實驗的科學原理。還能培養學生掌握基本工具的使用，熟悉工程設計的流程，運用現代編程軟件、平面加工軟件、三維建模軟件、電路設計軟件等新技術進行創新設計。

6.1 實驗材料

Arduino UNO 板*1、HC-SR04 超聲波測距模塊*1、LCD 屏(1602 5V)*2、KEYES 水位傳感器*1、繼電器*1、365-8V 水泵*1、9V 鋰電池*1、LED 燈(3.3V～ 5V)*1、亞克力板若干、亞克力板膠*1、導線若干、激光筆、PU 管（內徑5mm）

6.2 實驗工具

米思齊編程軟件、Artcam 平面加工軟件、Sketchup 三維建模軟件、Frizting 電路設計軟件。

6.3 創新設計

3.0版虹吸裝置通過PU 管設置兩個有高、低落差的水箱，使水流從高處引流至低處，以滿足虹吸現象的基本條件，并在高位水箱側面設計一個上、下滑軌結構（如圖8），以改變入水口和出水口的高度差而影響水流的速度，學生可以嘗試在不同的條件下體驗變量改變產生的實驗效果。同時在水平方向增加水平刻度尺（如圖9），用以測量水流從入水口流出后的水平距離，并結合出水口的高度值，依據平拋運動的規律還可以定量估算水的流速。為學生創造一個可計算、可預估的真實情境，促進不同知識之間的橫向遷移。

圖8 上、下滑軌結構

圖9 在水平方向增加水平刻度尺

3.0版虹吸裝置還加入了LCD 屏（如圖10），可以實時顯示超聲波傳感所測量入水口和出水口的高度差，并根據采集的數據在LCD 屏上實時顯示水的流速大小，并可以直接進行數據整理和分析；同時在LCD 屏旁，加入一個展示距離大小的LED 燈，當高度差越小時，LED 燈閃爍的頻率越大，反之。此外，

圖10 LCD 屏

利用激光在水中的全反射現象，采用固定激光筆作為光源，以光路“照亮”水路，使新裝置能夠利用光的全反射現象更清晰的展示水的流向。

此外，3.0 虹吸裝置采用現代電子軟件技術，自動化程度更高.在低水箱處利用水位傳感器（如圖11）采集水位信息，反饋給電路主板。當水位低于20（模擬值）時，啟動水泵進行自動抽水；當水位高于600（模擬值）時，自動關閉水泵停止抽水。

圖11 水位傳感器

6.4 科學探究

3.0版虹吸裝置在演示實驗現象時，能引發學生主動思考與探究：為什么出水口的高度不一樣，水流速度不一樣，落水點所在位置也不一樣？為什么激光可以順著水流拐彎呢？在進行實驗觀察時，學生往往被這些有意思的現象所吸引，在實驗探究中，還可以促進平拋運動的理解和全反射條件的思考，更深入開展虹吸現象的創新思考。

7 結語

物理演示實驗在物理教學中有著舉足輕重的作用，針對教具、思想、方式、操作的不斷改進或創新，是一項偉大的工程。[9]STEAM 項目式學習不是要把科學、技術、工程和數學的核心知識簡單疊加，而是要在更深的層次上把握跨學科之間的融合，注重編程、建模等現代軟件技術的應用，并引導學生運用多種材料和不同技術方法解決實際問題，從而真正實質性的提高他們的創新能力和科學素養。