基于STEAM理念的初中物理教學設計

李榮耀 丁聰 趙寧

摘 ? 要：文章以初中物理“杠桿”這節課為例，對近幾年被廣泛關注的STEAM教育理念怎樣應用到物理課堂教學進行了詳細的論述。通過對杠桿基本概念、實驗探究杠桿平衡條件以及吊車墜河的工程問題的解決，滲透STEAM教育理念，培養學生的核心素養。

關鍵詞：STEAM教育；杠桿；核心素養

STEAM教育最早于2009年由美國國家科學委員會提出，由此揭開了STEAM教育的序幕。STEAM即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Math）的簡稱。STEAM教育并不是一個全新的課程，而是作為一種新型的教育理念，來幫助一線教師在進行學科教學時注重跨學科知識間的融合[ 1 ]。2022年4月義務教育物理課程標準[ 2 ]頒布，物理學科核心素養對中學生各方面能力提出了明確的要求，STEAM教育理念提倡幫助學生掌握如何運用科學和數學知識來解決與技術、工程相關的現實問題，培養學生的綜合實踐能力[ 3 ]。同時STEAM教育中的科學、工程、技術、藝術、數學與物理學科核心素養中的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任高度重合。在STEAM教育理念的指導下，培養學生注重理論與實踐相結合，善于獨立分析思考和解決問題的內在能力[ 4 ]，為新時代下的國家培養全面均衡發展的創新型人才，實現中華民族偉大復興的中國夢。

1 ?新課標下STEAM教育理念的優勢

《義務教育物理課程標準（2022年版）》在課程內容上新增了跨學科實踐的一級主題，下面包含物理學與日常生活、物理學與工程實踐和物理學與社會發展三個二級主題，是對“從生活走向物理，從物理走向社會”的繼承與發展，它強調關注社會生活中的物理工程問題，培養學生善于動腦，勤于動手的社會實踐能力。而STEAM教育理念的核心之一為打破學科限制，利用多學科知識解決生活中的工程實踐問題，培養學生的科學態度與責任，這與新義務教育物理課程標準中的跨學科實踐具有相似的目標要求。因此，以新課程標準為準則，將STEAM教育理念融于物理教學之中，更有利于達到全方位培養學生核心素養的目的。

杠桿是初中物理一節非常典型的課，在日常生活中的應用隨處可見，不管是剪刀，羊角錘這些基礎的生活用品，還是大型的機械設施和工程問題的解決，都有著杠桿的身影。因此以這節課為內容，滲透STEAM教育理念。

2 ?學情分析

2.1 ?教材分析

“杠桿”這節課節選自新人教版八年級物理下冊第十二章第一節，屬于典型的科學探究課。本節課的前面是力學方面的內容，后面為滑輪、機械效率等內容。本節課引導學生用科學、抽象的方法建立杠桿的概念，使學生對杠桿有初步的認識，因此需要教師對本節課的教學活動進行謹慎的安排，既要將前面所學知識應用于此，還要為下一節滑輪的學習做好鋪墊。

2.2 ?學生分析（圖1）

經過半年物理的學習，學生的邏輯思維能力發展較快，對物理也有了自己的認識，但是能力的提升還存在不足。

3 ?教學流程圖（圖2）

4 ?STEAM課程資源

支架、細線、杠桿（具有刻度線）、鉤碼、彈簧測力計、多媒體課件等。

5 ?教學過程實施

5.1 ?創設情境 引入新課

教師PPT展示古代常用工具如：桿秤、桔槔等工具及其使用場景和建造長城運石的工程問題，再過渡到現在日常生活所使用的剪刀，羊角錘，指甲刀等生活用具（如圖3）。

教師布置任務：拔釘子，夾水筆。

學生分別用羊角錘和手拔掉釘在泡沫板上的釘子；學生分別用手和鑷子將水筆放到文具盒里。仔細感受活動中手部用力的大小，羊角錘和鑷子的運動方式。

師；羊角錘、鑷子發生了怎樣的運動？它們在什么情況下才能這樣運動？它們有什么相同之處？

生：在使用時這些簡單機械時，都需要繞一個固定的點轉動，都受到兩個力，一個使其轉動的力和一個阻礙它轉動的力。

學生通過活動，確立杠桿概念：在力的作用下能繞著固定點轉動的硬棒，這根硬棒就是杠桿。

師：你還知道生活中哪些物品是基于杠桿制成的？

生：汽車方向盤，蹺蹺板，剪刀，天平，瓶起子等。

設計理念：以中國古代傳統文化引入新課，體現古人的智慧與美學設計，培養學生對中國傳統文化的熱情與品鑒能力，發展學生的藝術素養。讓學生親身體驗，由直觀的感性認識慢慢向抽象的理性認識過渡。通過層層遞進的問題引導學生發現杠桿運動的特點，總結出杠桿的概念。培養學生關心生活、熱愛生活，提高對生活的關注和對科學的學習興趣。

5.2 ?工程問題引入 探究杠桿平衡條件

學生對杠桿有了初步認識，在此基礎下，教師展示吊車前去營救落水汽車卻被汽車拉下水的新聞圖片（圖4）。

提出問題：假如你是這次救援任務的技術指導，前去參與營救落水車輛，新來的吊車要滿足什么條件呢？

學生討論，猜想，初步得出以下結論： 吊車要足夠重；吊車力足夠大；吊車的吊臂短一點。

師：同學們的回答都有道理，但是吊車到底要大多少？重多少？吊臂要多長呢？接下來咱們來一起探究。

5.2.1探究影響杠桿平衡的因素

本節課主要難在力臂概念的確立，實驗探究杠桿的平衡條件是本節課的重點，在以往的教學過程中，對力臂概念確立教師多采用灌輸式的教育理念，在探究杠桿的平衡條件時，大多是直接引導學生探究杠桿平衡時力與力臂的數量關系，沒有經過深入地剖析。因此本節以控制變量法科學探究影響杠桿平衡的因素，同時穿插力臂概念的分析教學，為下面得出杠桿的平衡條件打下基礎。

（1）如圖5，選定一個杠桿，調節平衡以后，在杠桿左側A點施加一豎直向下的力F，在杠桿右側B點用彈簧測力計施加一豎直向下的力F1，使杠桿平衡。在B點調節力的大小，發現當力等于F1時，杠桿才會平衡，大于或小于F1時，杠桿不平衡。

師：通過上述實驗，你會發現杠桿的平衡與什么有關？

生：力的大小。

（2）如圖6，在杠桿左側A點施加一固定力F，用彈簧測力計在杠桿右側施加一固定大小的力F2，調節施力點位置，發現僅在C點時，杠桿才會平衡。

師：通過上述實驗，你會發現杠桿的平衡與什么有關？

生：力的作用點（施力點）。

（3）如圖7，在杠桿左側A點施加一固定力F，用彈簧測力計在杠桿右側固定點D點施加一固定大小的力F3使杠桿平衡，保持力F3大小不變，改變F3的方向，發現杠桿不平衡。

師：通過上述實驗，你會發現杠桿的平衡與什么有關？

生：力的方向。

師：通過以上三個小實驗，我們知道杠桿的平衡與力的大小、力的作用點和力的方向有關。根據以往所學知識，我們可以通過彈簧測力計和刻度尺來測量力的大小和力的作用點位置，但是力的方向卻無法測量。我們能不能找到一個物理量將力的方向聯系起來便于我們測量呢？

學生通過閱讀教材和討論回答：力臂：從固定點到力作用線的距離。

師：是的，不管力的方向如何，力臂一定是垂直著力的作用線，這樣就能把力的方向確定下來。

教師展示木棍橇石頭（圖8）的真實場景，讓學生畫出力臂（圖9）。加深對力臂的理解，掌握力臂的畫法。

教師引導學生找出杠桿的五要素（表1，圖10）。

5.2.2探究實驗：杠桿的平衡條件

（1）猜想

師：通過上面的探究，我們已經知道了影響杠桿平衡的因素：力臂（動力臂和阻力臂）和力（動力和阻力）。

提出問題：杠桿的力與力臂之間到底存在著什么樣的關系？

學生猜想：F1×l1=F2×l2；F1/l1=F2/l2；F1+l1=F2+l2；F1-l1=F2-l2。

教師帶領學生對猜想進行篩選，力與力臂的單位不統一，不能加減，因此對F1×l1=F2×l2；F1/l1=F2/l2進行實驗驗證。

（2）設計實驗方案

師：在上面我們已經學習了力與力臂，要得出力與力臂關系，必須對力與力臂進行測量。那么怎么去測量力與力臂呢？

學生討論。

教師啟發引導：

①力的測量：采用懸掛鉤碼的方式可以使力始終保持在一個方向，即豎直向下，而力的大小等于鉤碼重。

②力臂的測量：當杠桿處于水平狀態時，杠桿與力互相垂直，因此力臂的大小可以直接在杠桿上讀取。

學生再討論具體實驗步驟。

讓學生匯報，歸納出實驗步驟：

①調節杠桿兩端的平衡螺母，使杠桿在水平位置保持平衡。

②把鉤碼掛在杠桿的兩邊，調整鉤碼的位置，改變鉤碼的重，使杠桿在水平位置重新平衡。支點兩邊的鉤碼重分別當作動力F1與 F2；鉤碼到杠桿中心的距離分別為l1和l2；記錄F1、F2、l1、l2等數值。

③多次改變力和力臂的數值，記錄結果。

（3）進行實驗

教師巡回指導

（4）實驗數據分析

學生收集實驗數據，填寫實驗表格（表2），包括結論。

通過對實驗數據的計算，發現F1/l1與F2/l2毫無關系，而F1×l1=F2×l2。

（5）交流與展示

各組學生互相展示自己的實驗成果，確認結論是否一致。

設計意圖：教師通過工程問題引入，引導學生從定性探究影響杠桿平衡的因素到定量探究杠桿平衡的條件，使學生逐步地確定探究對象，設計實驗方案，進行實驗探究，培養學生嚴謹全面的科學探究精神。在探究的過程中加強對知識的掌握與理解，從中滲透科學的素養，增強學生的邏輯思維能力，找到杠桿的平衡條件：動力×動力臂=阻力×阻力臂，培養學生的數學素養。在整個實驗探究的過程中，很好地培養了學生的科學思維與科學探究素養。

6 ?結合原理，解決問題

觀察落水過程 分析落水原因（圖11）。

教師通過慢放吊車落水視頻，引導學生發現吊車落水的特點。

師：吊車為什么會落水？

生：吊車失去了平衡。

師：吊車為什么失去平衡？是怎樣落水的？

生：杠桿太長，小汽車太重，把吊車后輪翹起來車翻落水。

師：同學們回答得不錯，接下來我們對事故進行詳細分析。

（1）慢放視頻，建構吊車墜河過程模型，引導學生發現吊車失去平衡時，吊車前輪未動，吊車后輪被翹起，從而確定吊車前輪為支點。

（2）吊車杠桿模型中動力、阻力很容易找到，在確定支點以后，畫出吊車杠桿模型的力臂（圖12）。

（3）通過圖示，結合杠桿平衡條件，可知吊車墜河原因為F1×l1＞F2×l2，吊車失去平衡，最終墜河。

師：同學們已經知道了事故的原因，那么你作為技術指導，應該怎樣去解決問題呢？

生：選擇更重的吊車讓F2更大：吊車吊臂的傾斜角度大一些使l1小一點。在施救過程中要滿足F1×l1＜F2×l2。

設計意圖：利用杠桿原理解決生活中的工程問題，融入工程素養，讓學生在解決實際問題的過程中體驗成功的喜悅，引導學生勇于承擔社會責任，培養學生善于觀察、分析和解決問題的能力和崇高的科學態度與責任。

7 ?結束語

本節課的設計體現了STEAM教育理念在初中物理課堂教學的簡單應用，將科學、工程、技術、藝術與數學滲透于教學過程，意在培養學生的綜合能力和實踐能力，充分激發學生學習物理的熱情。通過生活中的實物體驗建構杠桿模型，樹立正確的物理觀念；在探究影響杠桿平衡因素的過程中建立力臂等概念，通過實驗探究杠桿的平衡條件培養學生的科學思維與科學探究能力；通過利用杠桿原理解決吊車墜河的工程問題培養學生的科學態度與責任，達到全方位培養學生核心素養的目的。

參考文獻：

［1］ 謝麗，李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師，2017，38（4）：2-4.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

［3］ 尹慶豐.基于STEM教育理念的高中物理教學實踐研究——以“傳感器的應用實驗”為例[J].物理教師，2018，39（8）：24-26，31.

［4］ 王曉鍇，高永偉.“看得見的聲音”——基于STEM理念的共振教學[J].物理教師，2020，41（7）：69-72，76.