基于STEAM理念的物理家庭創新實驗的研究

【摘要】開展基于STEAM理念的初中物理家庭創新實驗，可以培養學生的動手能力和自主學習能力，在一定程度上擺脫課堂實驗的局限性，為學生理解并創新實驗奠定基礎。遵循實驗基礎原理，從生活化的角度開展和應用實驗項目，對于學生認識自然、理解科學有積極的促進作用。

【關鍵詞】初中物理；物理家庭創新實驗；STEAM理念

作者簡介：吳曉勛（1981—），女，江蘇省南通市通州區育才中學。

STEAM是科學、技術、工程、藝術和數學的英文單詞首字母的縮寫。在初中物理教學中運用STEAM理念，旨在打破物理學科壁壘，讓學生對學科進行綜合學習，培養學生的邏輯推理能力、實際應用能力和綜合拓展能力。在當前的大環境下，將物理實驗家庭化成為物理課程教學的必然要求。初中物理的大多數實驗屬于驗證性的實驗，所以教師應積極開展必要的創新實驗，以提升學生的創新能力。針對物理家庭創新實驗提出問題引領、學科整合和項目學習的方法，能夠實現優化思維品質、拓展認知空間和完成知識建構的目的。

一、問題引領，優化思維品質

問題引領式教學法是教師在上課過程中引導學生思考、推進實驗過程的常用方法之一。教師應當結合課程進度和學生的實際操作過程設計問題，讓學生在體驗中進行自主探究，解決生活中的實際問題，做到學以致用，同時將物理知識以藝術化的形式呈現，培養學生的審美意識，優化學生的思維品質。

（一）體現體驗性，引導自主探究

物理家庭創新實驗應該以家庭常用材料為基礎。在實際的生活中開展物理實驗研究，能夠體會到物理知識的內涵，獲得生活體驗。

例如，學生通過學習“壓強”一課，需要理解壓強是表示壓力作用效果的物理量，當壓力一定時，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯。筆者班上的一些學生雖然能理解F（壓力）=p（壓強）×S（受力面積）中的正比和反比關系，但對壓力的實際作用效果的認知仍然比較模糊。對此，筆者要求學生回家后找出一根削好的較短的鉛筆，將鉛筆的頭部對著食指，將鉛筆的尾部對著拇指，兩根手指同時用力，感受手指受到的壓力。在下一節課上，學生說他們覺得食指的不適感比拇指的不適感強，如果繼續用力，食指可能會被戳傷。通過實驗，學生進一步理解了F、p和S之間的關系。之后，筆者問道：“大家知道在生活中還有哪些類似的實例嗎？”學生舉出將螺絲釘進墻內、用菜刀切菜等實例。之后，在筆者的引導下，學生能很快知道，長輩常說刀鈍了需要磨刀，就是為了減小受力面積，增大壓強。

將課本上的物理實驗轉化成學生自主進行的家庭物理創新實驗，通過問題引導的方式，給學生充足的思考空間，可以幫助學生直觀體會到物理對于生活的實際意義和用途，引導學生進行探究。

（二）體現綜合性，強化學以致用

物理實驗的目的是做到學以致用。借助生活化的物理實驗，能讓學生明白物理知識并不是抽象的，而是在我們身邊真實存在的［1］。物理知識的生活化應用，不應該是單純的知識講解，而應該是綜合性的實驗開展，借助問題進行引導，幫助學生構建知識體系。

比如，在學完“光的折射”和“浮力”的內容后，學生需要使用家里的一個空碗，往碗里裝滿水，開展的第一個實驗是放入一根筷子或者一個勺子，同時要注意筷子或勺子只有一部分浸入水中，開展的第二個實驗是將一張廢紙撕成指甲蓋大小，放入水中，然后記錄觀察到的實驗現象。在下一節課上，學生說在第一個實驗中，發現筷子、勺子出現了彎曲的視覺效果，在第二個實驗中，紙片一開始漂浮在水面上，靜置一段時間后開始下沉。之后，學生通過實際操作，認識到：浮力的存在使得紙片漂浮于水面，而紙片被水浸透后會在重力的作用下往下沉；根據眼睛看到的紙片的位置用勺子打撈是無法打撈到紙片的，這是因為光的折射作用，紙片實際的位置和視覺上的位置不同。有的學生還在課后以上述實驗為契機，研究了紙片位置偏移的方向，經過多次嘗試后順利地打撈出了紙片。

開展綜合性、生活化的物理實驗，既滿足了學生的探索需求，打開了學生的新視野，也有助于學生全面理解知識，實際應用知識。

（三）體現藝術性，培養審美意識

有的人認為物理實驗缺乏美感，實際上，真實的物理實驗不僅僅是科學的，也具有藝術色彩。所以在實際的實驗過程中，教師應當結合實驗內容和過程，融入美學內容，培養學生的審美意識。

例如，通過學習“光的色散”一課，學生知道了夏季雷雨后如果出現太陽，有時會形成一道七色彩虹，這是因為此時天空中還未落下的水滴形成了一個個三棱鏡，將太陽光進行了分解。筆者便問學生：“在實驗室中，可以借助專業的三棱鏡分解出七彩的陽光。那么在家里應該如何開展該實驗？”學生想到必須要保證天氣晴朗，陽光充足，為了呈現分解出的陽光，可以使用幕布。筆者繼續提問：“如果直接使陽光通過三棱鏡，呈現出的陽光看起來是比較分散的，那么可以怎么處理呢？”有的學生提出凸透鏡有聚光作用，可以在三棱鏡前面放置凸透鏡。可見，采用問題引領的方式，能夠幫助學生正確認識三棱鏡和凸透鏡。當在實驗中看到最終呈現出的七彩陽光時，學生會深刻感受到物理知識的奧秘，也會愿意繼續探索美麗的自然界。

物理具有獨特的美。當學習不再只有單純的實驗而變成以美為基調的探索時，學生才能真正感悟物理學科的意義。

二、學科整合，拓展認知空間

為了合理構建學生的認知結構，教師可以利用不同的教學資源，采用學科整合的方式開展物理實驗教學活動，結合學生已有的知識奠定實驗理論基礎，開發富有特色的物理家庭創新實驗課程，這樣既體現了實驗課程的生活性，也能拓展學生的認知空間［2］。

（一）整合實驗素材，尋求整體思路

物理實驗的探索需要借助不同的學科，整合實驗素材，不斷豐富理論知識，改變傳統的實驗思維，從整體的角度分析實驗現象、原理，從而達到訓練學生思維能力的目的。

例如，在水果電池實驗中，學生需要將兩個金屬片（它們要具有不同的化學性質）和水果（呈酸性）相連，以點亮一盞小的LED燈，并根據實驗內容分析原理。這個實驗是物理發電的過程，也是化學置換反應的過程，所以在原理分析中，不能單純地以物理學科的電路原理為基礎。如有的學生指出，兩種不同的金屬中必然有一種化學性質活潑的金屬，該金屬置換出了水果中的氫離子，使得整個電路產生了正電荷，電荷進行了移動，從而讓LED燈發光。

學科整合后的物理家庭創新實驗，需要尋求整體思路，進行實驗現象分析，這也對學生提出了較高的實驗思維要求。

（二）整合實驗形式，調動內驅力

物理實驗的形式多種多樣，學科整合后的物理實驗更具獨特的色彩。采用多種家庭化的物理實驗形式，可以調動學生的內驅力，讓學生進行積極探索，拓展學生的認知空間。

例如，在學生學完“功和機械能”和“簡單機械”的章節內容后，筆者引入實驗內容：“想必大家小時候都玩過蹺蹺板，通過這兩章的學習，大家應該知道蹺蹺板兩側的臂長相同，是等臂杠桿。理論上來說，體重相同的兩名學生同時坐上蹺蹺板，蹺蹺板應該會一直保持水平的狀態，但為什么蹺蹺板在實際中會不平衡呢？”筆者讓學生先在課下進行實驗，然后在下一節課上結合信息技術學科的內容進行模擬仿真，假設蹺蹺板是不受外力且保持平衡的，將蹺蹺板的每一側及坐在上面的學生作為整體（設左側為A部分，右側為B部分），并進行動畫演示，讓學生明白：在保持蹺蹺板臂長相同的條件下，兩名學生的體重多多少少都會存在差異，這會導致力矩不平衡；兩名學生坐上蹺蹺板的過程會發生動能和勢能之間的間接轉化，導致初始動能不同；在兩名學生保持靜止狀態的條件下，蹺蹺板也會因為重力勢能的微差而受力不平衡。

進行物理家庭創新實驗研究，可以整合實際和虛擬實驗兩種形式，將抽象復雜的物理受力分析轉化為形象生動的動作講解，帶給學生豐富的視覺體驗。這樣既幫助學生理解了實驗原理，也激發了學生學習仿真知識的興趣。

（三）整合實驗內容，豐富知識結構

絕大部分物理實驗是學生可以直接操作的。而學科整合后的物理實驗內容，不僅豐富了實驗內涵，也能在一定程度上幫助學生掌握生活常識，豐富知識結構。

例如，筆者班上的很多學生都在家里看過父母做面食。他們通常會先將酵母和水加入面粉中揉搓，將面團揉搓片刻后放置于盆中，并蓋上一塊濕布，以防止面團表面變干。過了一段時間后，面團會變得柔軟，也能很輕松地揉搓。對于這一現象，筆者告訴學生：“這是因為酵母在發酵過程中產生的二氧化碳，使得面團中形成氣孔，并且產生的水也改變了面團的內部結構。”同時，筆者鼓勵學生回家后試著用上述方法進行揉搓面團的實驗。

豐富物理家庭創新實驗的內容，可以讓學生在學習物理知識的過程中積累其他知識，也有利于學生明白做人做事的道理。

三、項目學習，完成知識建構

項目學習是一種比較新穎的學習方式，要求學生自主學習和探究，制作相關作品，完成知識的建構。在物理家庭創新實驗學習中借助項目學習理念和方法，可以激發學生比拼的欲望，促使學生快速完成相關實驗任務。

（一）創設情境，設計真實任務

基于情境創設的項目學習，需要通過恰當的情境提出問題，設計真實任務，活躍實驗氣氛，激發學生求知欲，培養學生的創新意識。

例如，在教學完“密度與社會生活”一課后，筆者為學生布置了任務，并創設了相應的情境：“大家知道密度是物體的固有屬性，請你們找出家里的某件飾品，策劃一個實驗方案，計算出該飾品的密度。”在開展任務前，學生要知道為了求密度，需要測出飾品的質量和體積，再借助ρ=m/V計算得到飾品的密度。為了測量飾品的質量和體積，有的學生想到可以借助小區小賣鋪里的電子秤，運用m=G/g計算得到飾品的質量，再將飾品放置于裝有水的標有刻度的透明杯子中，觀察水面上升的高度，算出飾品的體積。在得到飾品的密度后，有的學生還將計算的結果和飾品標簽上注明的密度進行了比較，以辨別飾品的真偽。

通過真實任務進行物理家庭創新實驗，能夠讓學生在開展任務的過程中理解物理知識，進行動手操作，激發創新思維。

（二）立體感知，制作實用物品

利用物理知識制作實用物品，可以形成對所學內容的立體感知，也體現了物理學科的實用性。學生在生活中實際運用物理知識，才能真正體會到物理對于生活的意義。開展基于物品制作的項目學習，能在一定程度上幫助學生構建完整的物理知識體系。

例如，在學生學完“聲現象”一章后，筆者要求學生制作一部土電話。學生需要明確土電話的原理，制作土電話時，在兩個紙杯底部均用小刀戳一個很小的洞，將一根較長的棉線穿過紙杯底部的洞，綁在小木棍上，注意使小木棍的長度小于紙杯底面的直徑。在使用土電話時，學生可以將其中一個紙杯放在自己家，將另一個紙杯通過窗戶投給鄰居，關上窗戶。這時，學生雖然無法隔著窗戶清楚聽到鄰居的聲音，但可以通過土電話聽到。有的學生做完實驗后帶著“用一根棉線便可以傳播聲音，那么可以將上述實驗中的紙杯換成塑料瓶或塑料袋嗎？”的問題進行了更深入的探究。

通過物理家庭創新實驗制作實用物品，可以提高學生的動手能力，初步培養學生的科學思維和創新能力。

（三）動態管理，提升核心素養

物理實驗課程的學習應該進行動態管理、階段性的總結，從而提升學科核心素養。教師要明確實踐的必要性，按照學生的認知規律開展實驗課程的教學。

例如，在學生學習“功和機械能”一章時，筆者引入實驗內容：“騎自行車是我們的化學能轉化為自行車的機械能的過程，要想讓自行車行駛得比較快，就需要我們提供足夠的化學能，同時也需要減小自行車所受的阻力。那么自行車所受的阻力有哪些？”學生認為有地面的摩擦力、空氣阻力、自行車內部的阻力。學生在課下進行實驗后，也會發現之所以在騎自行車下坡時感覺自行車的速度越來越快，是因為人和自行車的重力勢能轉化為了自行車的動能。這樣，筆者既幫助學生復習了重力和摩擦力的知識，學習了動能、勢能和機械能的知識，也進行了實驗知識的動態管理，提升了學生的物理核心素養。

項目學習中的動態管理意義在于幫助學生理解知識內涵，建立科學的知識體系，并且拓展教學時空。

結語

綜上所述，開展基于STEAM理念的物理家庭創新實驗，實現物理知識的生活化應用，能夠激發學生的主觀能動性和學習興趣，以學生為中心，以家庭材料為基礎，開發新穎的實驗課程，為每個學生提供充足的實踐機會，為他們思維的創新發展奠定基礎，同時也能提升物理實驗教學效果。

【參考文獻】

［1］謝旭，劉立華.基于STEAM教育理念下的中學物理教學實踐探究［J］.智力，2021（35）：139-141.

［2］郝坤. STEAM教育理念融入初中物理教學的實踐［J］.新課程教學（電子版），2021（14）：46-47.