滲透STEAM教育理念的高中物理課堂教學①
——以“靜電的防止與利用”的教學為例

龔文超

（浙江省義烏市義亭中學，浙江 金華）

一、STEAM教育理念應用的必要性

物理學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理核心素養與STEAM教育理念是統一的。STEAM教育可以讓學生更深刻地認識與物理有關的科學、技術、工程、藝術、數學等問題，有利于學生形成科學思維。STEAM教育注重培養學生的創造性和自主性，引導學生在實踐中發現問題、探究問題和解決問題，養成嚴謹的科學態度與責任。因此，將STEAM教育理念引入物理教學中，有助于提高學生的物理核心素養。

二、融入STEAM教育理念的物理課堂教學“困境”及解決方式

（一）遇到的“困境”

1.在時間安排上的“困境”

高中物理課堂教學時間緊、任務重，而STEAM教育基于問題和項目來開展學習活動，在學習過程中需要從真實的情境中提出問題，經歷模型構建、方案設計、項目制作、成果展示、交流評價等環節，需要大量的時間。課堂教學中既要完成常規的教學任務，又要完成某一個項目，時間上“捉襟見肘”。

2.在學生能力上的“困境”

高中生雖然已經具備了一定的觀察、思維和應用的能力，但也存在動手能力不足、缺乏生活經驗、不會使用各種工具以及缺少創新能力等問題。

3.在材料準備上的“困境”

STEAM教育的項目制作需要各種各樣的器材和材料，這些“非標準化”的器材和材料需要自行選擇和準備。同時，選擇何種材料和器材又與設計的方案息息相關，給課堂增加了不可控的因素。

（二）解決的方式

1.完善課前的準備工作

課前應做好充分的準備，如完善項目的設計方案、選擇合適的材料等。材料應具備易得、易加工、便宜、安全、效果顯著等特點。

2.合理安排課堂教學內容和時間

在課堂教學中，項目的開展應服務于本節課的內容，應將重點放在基于本節課的原理上進行方案的設計。教師要做好引導，設置合理的問題，降低學生設計的難度，使學生通過討論和思考逐步形成較為完善的設計方案。項目制作、成果展示、交流評價等環節可進行部分刪減，留待課后完成。

3.開展課后的設計制作評比活動

一堂課的時間很難完整地完成一個項目，即便在教師的引導下學生完成了設計和制作，也存在設計方案單一、學生未能充分參與、制作的成品粗糙等問題。因此，教師有必要開展課后的設計制作評比活動，發揮學生的主觀能動性，使其通過合作交流、方案改進、藝術加工等完成制作。教師就成品的材料、性能、外觀、結構等幾個方面進行評價。

4.組織開展社團活動

學生動手實踐能力、創新能力的培養并非一朝一夕可成，組織開展科技創新類的社團活動有利于學生能力的培養。

三、融入STEAM教育理念的“靜電的防止與利用”教學設計

（一）教材分析

本節課旨在提高學生綜合運用電學知識的能力，加強學生聯系生活并解決實際問題的能力。教材內容可以歸納為1條主線、2個知識點、2個應用、1類拓展（圖1）。

圖1

（二）學情分析

學生已經學習了電荷、靜電力、電場、電場線等電場的知識，具備了綜合探究靜電現象的知識基礎。同時，高二學生已經具備了一定的實驗探究能力和實驗設計能力，但將物理知識與生活相結合并解決實際問題的能力較為薄弱，且缺乏動手能力和創新能力。

（三）教學過程

1.情境激趣導入新課

情境導入：

觀看一段精彩的“閃電秀”表演：利用特斯拉線圈制造出高壓電弧，表演者身穿金屬衣進行表演。

提出問題：金屬是導體，為什么穿上“金屬網”反而不怕電呢？這種“超能力”背后有什么物理規律呢？

2.建立模型探尋規律

建立模型：用勻強電場代替特斯拉線圈產生的非勻強電場；用不帶電的金屬板代替金屬衣。利用模型構建，把復雜的實際問題抽象成物理模型：勻強電場中的金屬導體。

對導體內部電場分布的研究需配合PPT動畫進行分步演示。利用問題鏈引導學生深入思考，逐步遞進，追尋靜電感應的動態變化過程，引導學生經歷抽象、分析、歸納的過程，逐步得到導體的靜電平衡狀態。

模型應用1：靜電屏蔽

提出問題：處于勻強電場中的金屬導體內部場強處處為零，若在導體內部挖出一個空腔，空腔內部場強為零嗎？若將金屬導體換成金屬網，內部場強為零嗎？處于非勻強電場中的金屬導體內部場強是否也為零？

演示實驗1：隔空點亮節能燈

打開輝光球，教師手拿節能燈靠近輝光球，讓學生注意觀察實驗現象。

總結：輝光球的原理與特斯拉線圈類似，都能產生高壓，形成電場（非勻強電場），電場可使節能燈內的惰性氣體電離而發光。

演示實驗2：金屬網屏蔽

步驟1：將節能燈放入透明的塑料瓶中，靠近輝光球，觀察實驗現象。

步驟2：將節能燈放入致密的金屬網中，靠近輝光球，觀察實驗現象。

步驟3：分次抽出金屬網中的金屬絲，使金屬網變疏，再靠近輝光球，觀察節能燈亮度變化。

歸納總結：導體殼（金屬網）可以保護里面的區域不受外部電場的影響，導體殼（金屬網）內部場強處處為零。因此，本節課開始的“閃電秀”表演中，金屬衣里面的人是安全的，我們把這個物理現象稱為靜電屏蔽。同時，處于非勻強電場中，導體殼（金屬網）內部場強仍為零，說明處于非勻強電場中的導體也處于靜電平衡狀態。

聯系生活實際：舉例靜電屏蔽在生活中的應用。

（1）屏蔽線：用金屬網狀編織層把信號線包裹起來的傳輸線。

（2）電子儀器的屏蔽：電腦主機箱外殼為金屬。

（3）金屬網屏蔽：高壓帶電作業的工人穿戴的工作服，是用包含金屬絲的織物制成的。高壓輸電線上方還有兩條導線，它們與大地相連，形成一個稀疏的金屬“網”，把高壓線屏蔽起來，以免遭雷擊。

模型應用2：尖端放電

提出問題：前面我們通過理論分析得出了靜電平衡狀態下的導體電荷分布在外表面，即導體內部凈電荷為零。我們能否通過一個實驗進行驗證呢？這些電荷在外表面是均勻分布的嗎？你能否設計一個實驗方案來檢驗探究電荷的分布情況？

提出實驗方案：利用帶有絕緣手柄的金屬球，分別與金屬空腔內壁及外表面的不同部位接觸，再與驗電的金屬球接觸，觀察金屬鉑片是否張開及張開的角度大小（圖2方案1）。

提出問題：該方案確實能夠檢驗金屬空腔的電荷分布情況，但需進行多次操作。在多次的接觸檢驗過程中，金屬空腔的帶電量減少，導致金屬鉑片的張角變小，影響對電荷分布狀況的分析。能否對上述方案進行改進，使實驗更加簡單、直觀？

方案改進：直接將金屬鉑片貼在金屬空腔的內壁、外表面的平坦部位及外表面的尖端部位（鐵釘），利用感應起電機使金屬空腔帶電后，觀察各金屬鉑片張開的角度（圖2方案2）。

圖2

現象：金屬腔內壁金屬鉑片不張開，外表面兩組鉑片均張開，且尖端部位金屬鉑片張角較大。

歸納總結：靜電平衡時，導體內部沒有凈余電荷，電荷分布在導體的外表面，并且導體外表面越尖銳的位置，電荷的密度越大。

過渡：尖端部位電荷密度大會引起什么樣的結果呢？我們先來觀察一個實驗現象。利用馬克思發生器形成高壓脈沖來模擬自然界的閃電現象。

演示實驗3：模擬閃電的危害

在兩金屬極板間放入用亞克力板制作而成的“房子”，再在房子中間放入蘸有酒精的棉花，打開開關，高壓產生的“閃電”使棉花燃燒。在房子中間放入通電的LED燈珠，打開開關，“閃電”使燈珠熄滅。

提出問題：通過實驗，我們觀察到閃電的危害很大，如何才能避免雷擊呢？

演示實驗4：模擬避雷針的作用

在兩金屬板間再加入一根由銅絲制成的避雷針，打開開關，觀察到只在避雷針和“云層”之間發生放電，房屋得到了保護。（見圖3）

圖3

提出問題：為什么放入避雷針后，“閃電”不再擊中房屋而總是打在避雷針上呢？觀察生活中的避雷針，它有什么樣的特點？

多媒體動畫演示：尖端放電的實質——空氣電離。

聯系生活實際：舉例尖端放電在生活中的現象及應用。

（1）避雷針：多媒體展示各種形狀的避雷針。

（2）電子點火器：煤氣灶、打火機。

（3）高壓輸電線的表面要打磨得非常光滑。

（4）干燥的冬天不要用手指尖去觸碰金屬把手。

3.拓展應用聯系生活

通過多媒體播放空氣污染及工廠煙囪排放有毒有害氣體的圖片，提出問題：煙囪中排放的氣體含有大量的細顆粒物，它能較長時間懸浮于空氣中，是造成空氣污染的重要原因，危害人類的身體健康。我們有必要對排放在空氣中的細顆粒物進行處理。說說你有什么樣的方案。

學生提出方案：利用細密的金屬網罩、吸塵器等，并對方案的可行性做出評價。

通過本節課的學習，你能否利用以下資料設計和制作一個簡易的除塵裝置？

資料1：空氣在強電場作用下發生電離，電離后的正離子質量較大，不容易被塵埃吸收，而電離后的自由電子質量小，容易被塵埃吸收。

資料2：強電場可以由高壓來產生。

設計制作一個除塵裝置難度較大，搭建問題階梯，用一個個小問題引導學生逐步完善設計方案。

問題1：是否可以在煙囪內設置一個高壓電場，使空氣電離？利用靜電除塵？

問題2：如何形成高壓電場？兩極板用什么材料？

問題3：空氣電離后塵埃帶什么電？

問題4：帶電的塵埃如何運動？最終會吸附在哪個極板上？

問題5：負極板是否起到了吸附的作用？如何提高裝置的吸附效果？

學生活動：根據生活經驗和物理知識，在教師的引導下解決發現的問題，逐步優化設計方案。

教師展示書本中的靜電除塵裝置原理圖（見圖4），學生觀察該原理圖有何特點，并思考是否可以在此基礎上繼續擴大吸附面積。

圖4

學生：可以在煙囪中間放置一根金屬棒，煙囪內壁放置金屬板，使金屬棒帶負電，金屬板帶正電，使吸附面積最大化。

成果展示：教師點燃煙餅放入除塵裝置底部，產生大量的煙霧。接通高壓電源后，煙霧瞬間消失。除塵效果明顯。

四、結語

STEAM教育體現了融合思想，關注實際的現象與問題，相對于傳統的課堂教學，其更能體現“培養全面發展的人才”的時代要求。本文嘗試將STEAM教育理念融入課堂進行教學設計，以期為其他教師開展STEAM教學提供參考。