基于STEM教育的6E設計型學習模式融入高中物理課程的探索與實踐
——以“力的分解”為例

劉 涵 許桂清

(華南師范大學物理學院,廣東 廣州 510006)

STEM教育強調學科間有邏輯、有組織地進行交叉與融合,[1]貫徹跨學科思維,以應對21世紀挑戰.近年來,我國在引進STEM教育的同時,也在積極推進STEM教育的本土化實踐.在課程改革的研究中,工程取向的STEM課程被證明是落實整合性STEM教育理念的最適切形式,[2]其中,由美國國際技術與工程教育學會提出的6E設計型學習模式[3]頗具成效,備受推崇.

6E設計型學習模式讓學生經歷“參與、探索、解釋、工程、深化、評價”6個環節,統整跨學科的知識,解決挑戰性任務.該模式有利于學生綜合素養的培育和實踐創新能力的提升.[4]本文建構了基于6E設計型學習模式的物理課堂教學框架,以“力的分解”為例,探索融入6E設計型學習模式的高中物理教學實踐.同時總結一般性思路,為STEM理念有機融入物理教學提供啟示.

1 物理課堂教學框架的建構

6E設計型學習模式以工程設計為主軸,結合了“科學探究”的思維和“工程設計”的實踐.筆者基于“6E”學生學習流程,結合物理學科教學特點,設計了相應的教學環節,課堂教學框架建構如圖1所示.該教學設計讓學生在“需要知道”和“需要做”的循環中感知和洞察真實情境問題,運用跨學科知識解決挑戰性的任務,為一線教師提供6E設計型學習模式融入物理課堂的教學參考.下面以粵教版高中物理必修1“力的分解”為例,探討如何基于該教學框架設計物理課堂.

圖1 物理課程6E設計型學習模式結構圖

2 6E設計型學習模式的應用

2.1 參與:明晰問題情境,回顧物理概念

6E設計型學習模式的首要任務是讓學生“參與”到學習活動中,教師應結合教學內容和學生的認知特點,創設合適的問題情境,為學生提供根據其已有知識暫時難以解釋、導致認知失衡又急于消除困惑的認知場景,[5]激發學生學習興趣.為了發揮物理課堂的育人功能,本研究將“港珠澳大橋”這一中華民族的“復興橋”作為物理情境導入,用兩個主線問題“大橋的索塔為什么這么高”和“大橋的引橋為什么這么長”串聯起整節課,逐步引導學生深度參與課堂.具體教學片段如下.

教師:港珠澳大橋是大灣區的璀璨明珠,它具有獨特的拉索橋結構,橋面被許多相互對稱的繩索拉起,這個支撐拉索的高塔被稱為索塔(如圖2所示).

圖2 建立橋梁的受力分析模型

教師:值得注意的是,港珠澳大橋的索塔“同心結”高達163 m.請同學們思考,為什么大橋的索塔要建得這么高呢?

學生:(討論)為了穩固/美觀/安全/設計感……

教師:為了解決這個問題,我們需要先學習物理知識.讓我們一起進入今天的物理課堂——力的分解.

教師:上節課,我們學習了“力的合成”……

本環節創設了思考港珠澳大橋索塔高度原因的真實問題情境,學生在發散思維積極參與討論的過程中,結合教師板書,回顧“合力”“分力”的概念,明確力的分解與合成互為逆運算的觀念,體現了“參與”環節中基于真實場景問題,建立新舊知識聯系的特點.

2.2 探索:建構物理模型,分析探索結論

根據6E學習理論,在探索階段,學生應有機會建構自己對問題的理解,通過自我設計、引導或探索,提出設想、驗證結論.[4]本節課在拋出問題后,通過詰問的方式,逐步引導學生自主建構模型與討論交流,模擬工程技術中的建模“探索”.以“力的分解”一課為例探討如下,在教學實踐中,先完成主線問題1的教學,再進入主線問題2的探究情境.

(1) 對于主線問題1,師生共同探討高低索塔“誰”更安全的技術方案,具體教學片段如下.

教師:當建造橋梁的時候,要考慮的主要問題就是橋梁是否安全、可靠.那索塔比較高就會比較安全嗎?請同學們觀察,索塔的高低影響了什么?

學生:索塔高低影響了拉索張開的角度.

教師:沒錯.請以橋梁為研究對象,在索塔高低不同時進行受力分析,觀察角度的不同.

學生嘗試建構如圖2所示的橋面的受力分析模型.對比發現:索塔高時拉力的夾角更小.

本環節由索塔現象出發,引導學生模擬工程師角色進行觀察,發現索塔高低影響的是拉索張開的角度,進而有序組織知識元素嘗試建構模型,課標中提到的模型建構的科學思維得到有效發展.

(2) 對于主線問題2:師生共同研究引橋長度之“謎”的工程問題,教學片段如下.

教師:繼續沿著港珠澳大橋往前走.為什么大橋的引橋要修得這么長呢?

教師:為了更好地研究這個問題,請大家將引橋簡化為物理模型進行分析.引橋長度影響了什么?

學生:引橋可以抽象成一個斜面(如圖3所示).引橋越長,斜面越緩,傾角越小.

圖3 建立引橋的斜面模型

本環節同樣以學生為主體,由前述港珠澳大橋索塔高低問題,轉向引橋長短問題,讓學生在再一次的物理建模中,真切感知到物理模型對工程設計的指導價值.

2.3 解釋:運用科學知識,分析解釋現象

在形成初步理解的基礎上,學生在此階段應嘗試運用概念、原理解釋研究問題與方案,加深對知識的理解.例如,在“力的分解”一課的解釋環節,學生首先通過小實驗形成感性認識,再運用力的分解的知識解釋現象,體悟力的分解的具體步驟、方法,鞏固新知.具體的教學片段如下.

(1) 研究“索塔”問題:實驗探究,解釋現象.

教師:夾角的大小對拉索上的張力有什么影響?我們不妨用兩個彈簧測力計互成角度地拉起一個鉤碼,讓鉤碼保持靜止,逐漸增大拉力的夾角,觀察測力計的示數變化.

學生:(實驗后答)當夾角增大時,彈簧測力計的示數逐漸增大.

教師:如果運用力的分解的知識解釋這個現象,剛才的這個過程中,哪個力是不變的量?

學生:重力.

教師:很好.請同學們通過分解重力解釋剛才的問題.

學生:將重力分解到拉力的方向上(如圖4所示),分力的夾角越大,分力越大,對應的拉索張力也就更大.索塔低時夾角大,拉索更容易斷.

圖4 分解重力:索塔低時橋梁更危險

本環節采用“探究-解釋”的教學策略,即首先讓學生動手進行實驗探究,形成感性認識;再引導學生選擇合適的力進行分解并解釋,體會力的分解的一般步驟,由此推動學生科學推理能力的進一步發展.

(2) 研究“引橋”問題:數理結合,問題解釋.

在建立斜面模型的基礎上,繼續引導學生解釋“引橋”問題,具體教學片段如下.

教師:下面我們通過一個簡單的模擬實驗來探究斜面上的重力所產生的作用效果.用一塊塑料板當作斜面,斜面上端懸掛了一根彈簧.現將小車一端與彈簧相連放置在斜面上,請同學們注意觀察塑料板和彈簧的變化情況(如圖5所示).

圖5 斜面上重力產生的作用效果實驗

學生:塑料板被壓彎,說明重力產生了垂直于斜面的擠壓效果;彈簧被拉長,重力產生了讓小車向下運動的作用效果.

教師:很好.在進行力的分解時,常根據實際問題所需以及力所產生的物理效果綜合確定分力的方向,可將重力按此方向分解.再請同學們思考:分力大小如何確定?分力大小隨傾角怎樣變化?

學生:(作圖分析)將分力方向確定,再結合平行四邊形定則確定分力的大小(如圖6所示).根據幾何關系和數學知識可知,隨著θ增大,F1增大,F2減小.

圖6 斜面上重力的分解

本環節采用的是“演示-解釋”的教學策略,首先通過演示實驗讓學生對重力產生的作用效果形成感性認識,再通過問題式對話的方式,引導學生結合數學中三角函數知識與幾何關系,判斷F1、F2的大小變化,數理結合解釋問題.

綜合上述兩個研究情境,前后兩個“解釋”環節互相呼應.一方面讓學生體悟力的分解的具體步驟、方法,在真實情境中鞏固新知,另一方面對比兩種情境下重力不同的分解方式,引導學生總結,在進行力的分解時,可根據實際問題所需以及力所產生的物理效果綜合確定分力的方向,[6]歸納力的分解的一般規律,從而突破教學難點.

2.4 工程:模擬工程建設,開展工程驗證

工程是6E學習模式中最具STEM特色的學習環節.通常由教師向學生提供將所學知識和技術應用到實踐中的機會,要求學生應用原理、概念和理論,設計方案,制作裝置,測試并改進.筆者精心設計了實驗活動,自制教具,學生通過工程模擬,驗證“解釋”的正確性.

(1) 研究“索塔”問題:工程模擬,知識鞏固.

教師:下面模擬工程實驗,對比同樣橋身重量的情況下高低索塔的安全程度.

模擬實驗流程包括:① 將細棉繩固定在木板中間兩個環扣,模擬索塔較高的情況,如圖7(a)所示;② 將細棉繩固定在木板側邊兩個環扣,模擬索塔較低的情況,如圖7(b)(c)所示.

圖7 (a)索塔較高時的工程模擬;(b)(c)索塔較低時的工程模擬

學生:當索塔較高時,橋梁能夠穩固懸掛;當索塔較低時,細棉繩斷,橋梁不能被拉起.

本環節通過生動直觀的工程模擬實驗給學生帶來視覺沖擊,學生動手操作熱情高漲.在通過探索、分析、交流、解釋之后,學生理性思維初步形成;驗證實驗使其由模型回歸現實,體會物理的重要性和工程的不可逆性,留下深刻印象,促進學生嚴謹認真的科學態度與責任感的形成.

(2) 研究“引橋”問題:工程模擬,總結分析.

本環節結合力傳感器和數據采集技術輔助驗證結果,模擬工程實驗(如圖8所示),流程包括:① 安裝儀器,將重物放置在傳感器上,學生辨認結構.② 增大斜面的傾角,觀察顯示屏上的數據變化.

圖8 傳感器和數據采集器輔助驗證結果

學生:隨著傾角增大,F1增大,F2減小,與前述結論一致.

學生:(交流、討論與總結)通過理論分析與實驗驗證,得出結論.當引橋較短時,斜面傾角大,重力沿斜面向下的分力F1大,導致汽車上坡費力,下坡危險.所以大橋的引橋設計得比較長.

本環節中,學生動手實踐,利用DISLab實驗儀驗證結論并與同伴交流.由前述的模型建構到科學解釋,再到工程模擬與實驗驗證,學生經歷了建模探索—解釋分析—工程驗證的學習環節,循序漸進,逐步提升基于真實情境的工程問題解決能力.

2.5 深化:課后延伸拓展,合作交流感悟

深化是讓學生對所學知識進行深度探索,通過物理知識在復雜問題中的應用,實現知識和技能的遷移.通常由教師提出新問題或任務,學生進行討論交流,進行延伸和拓展,將已有的知識運用到新情境中.[2]考慮到教學實踐中課堂時間有限,深化環節的學習遷移,教師可以通過課后實踐制作、調研的形式開展,讓學生的物理學習延伸到課堂之外.

本節課中,筆者提供了兩項深化學習任務供學生選做.(1) 查閱不同橋梁結構的有關資料,利用卡紙、紙筒、硬紙板等材料制作一個簡易的橋梁模型,形成設計報告說明作品的理念、特色與優勢.(2) 要求學生查閱資料,分析調研港珠澳大橋建造時涉及的力學、運動學知識,以調查報告或研究論文的形式呈現.兩項課后研究任務均以小組為單位,學生需查找有關資料,通過自主學習、合作與交流,完成對學習內容的深化.

2.6 評價:聚焦核心素養,涵養態度責任

評價是6E學習理論的最后一環,也是落實學習效果的重要步驟.評價環節需對學習效果進行檢測,判斷學習者是否已經理解、掌握了基本概念與知識結構.[7]對學生在“深化”階段形成的實踐成果,本研究采取了多維評價的方式,分別從知識、方法和科學態度與責任3個層面進行評價.從知識層面評價,需要評判作品中是否蘊含核心概念、規律,評析學生對物理知識的掌握和運用程度;從方法層面評價,需考察作品中是否蘊含工程建設與實踐的設計理念,評價學生工程設計、科學探究、數學分析、情境學習的能力與水平;從科學態度與責任的層面,需開展過程性評價考查學生在實踐活動中是否發展了人文精神,涵養嚴謹認真和實事求是的科學態度,塑造可持續發展的社會責任感.依據6E設計型學習模式,教師應注重評價與反饋在物理教學中的作用,以評促學,發展學生物理核心素養.

3 小結

本文以“力的分解”為例,探討分析了基于“6E”設計型學習模式的高中物理課例.教師可以參照上述“6E”設計型學習模式對物理課堂實施教學探索,讓學生經歷參與、探索、解釋、工程、深化、評價的學習環節,深化學科核心素養的培育,為高中物理課程創新實踐注入生機與活力.