將STEM教育融入高中物理教學的案例實踐

■天津市第二十中學 侯 霞

一、背景分析

有效利用信息技術推進“眾創(chuàng)空間”建設，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識，養(yǎng)成數(shù)字化學習習慣，具備重視信息安全、遵守信息社會倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)，這是2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》之中明確指出的。

STEM教育就是融合科學、技術、工程、數(shù)學的教育，其表達的重點是加強對學習個體四個方面素養(yǎng)的整合。

評價是任何教育形式的根本環(huán)節(jié)，正如STEM的綜合性評價方法與傳統(tǒng)每個學科的單獨性評價方法也有很大差異。我們現(xiàn)在多采用的學科的單獨性評價，一般是通過學科考核來完成的，是知識獲得的評價。而STEM的綜合性評價更為注重過程和特征的評價，著重了解學生什么情況下能學到什么，怎樣學到，有什么提高，這些都需要教師悉心指導，及時記錄學生在學習過程中一點一滴的進步。

二、案例展示

教學《電能的輸送》，首先組織學生到天津濱海新區(qū)的北疆發(fā)電廠和大神堂風電場進行參觀，在真實的電力工程情境中展開對輸電工程了解，在火力和風力工業(yè)流程中探索，使學生保持旺盛的求知欲。

（一）課程目標體現(xiàn)出課程如何集成相關科學、技術、工程和數(shù)學之間的具體內容

1.科學：利用物理電路中的功率損失知識引導學生自己從已有的直流電路知識出發(fā)，進行分析知道“便于遠距離輸送”是電能的優(yōu)點，討論并了解工程輸電過程中如何有效便捷地減少熱量損失，熟悉遠距離輸電的基本原理。

2.技術：探索變壓器的主要構造和作用，了解如何實現(xiàn)變壓器的升壓和降壓作用以及如何實現(xiàn)電廠的高壓送電和用戶的正常用電，從可操作性、成本、效果幾方面分析各種減小輸電損耗的可行性。

3.工程：繪畫、設計、研究輸電線路功率損耗的電路圖；根據(jù)圖紙模擬輸電線路，在實驗室探究如何測量和獲得輸電線上損耗功率大小。分組討論如何降低輸電線路損耗，提高發(fā)現(xiàn)問題、合作分析現(xiàn)象、解決問題的能力。到電廠實地參觀電網(wǎng)輸電的過程，對比自身設計實驗，了解遠距離輸電用高壓送電可以有效減小輸電損耗。

4.數(shù)學：通過模擬輸電實驗探究和原理分析，對輸電電壓、電流、損耗功率等進行具體計算。通過理論分析、計算學會分析解決輸電實際問題基本方法。能夠正確分析相關問題及電網(wǎng)輸電過程。

（二）實施過程

1.結合參觀提出工程問題。

（1）帶領全體學生參觀大神堂風電場和北疆電廠（火力發(fā)電），思考電站發(fā)出的能源怎樣才能被利用，在實際工程中電能的輸送又有哪些基本要求。

（2）學生分組討論。結合參觀工程的記錄得出遠距離輸送電能的基本要求是可靠、保質、經(jīng)濟：可靠，是指盡量保證供電線路減少、避免故障和停電；保質，就是能夠保持用戶使用的電壓和頻率穩(wěn)定；經(jīng)濟，指輸電線路盡量選用熱功率損耗小、整體運行費用較低的方案。

2.整合物理科學和生活實際猜想，引出工程任務。

（1）利用物理知識，學生從理論上討論遠距離輸電面臨的電能損失可以采取什么途徑降低。

（2）結合工程實際可操作性和性價比討論減小輸電線的電阻。理論上根據(jù)電阻定律可知R線＝ρ，要減小輸電線的電阻R，可采用下述方法：

線

①可以選用電阻率ρ更小的輸電線材料。但考慮到有的金屬電阻率雖然小，但造價比較高，所以選用銅或鋁作輸電導線。

②可以減小輸電線的長度L。但可行性受到限制，因為現(xiàn)實輸電距離有條件。

③可以增加輸電線的橫截面積，但太粗不可能，既不經(jīng)濟，架設又困難。

（3）經(jīng)討論，以上提出的改進方法都因為實際操作或經(jīng)濟上的困難不可行，提出能否在保證用戶電功率不變的前提下通過減小輸電電流I降低輸電損耗。

①猜想發(fā)電后升高電壓再輸送，是為了達到輸送電能的哪個基本要求？

②如何實現(xiàn)提高送電電壓，同時保證用戶電壓不受影響?

3.整合技術，利用實驗器材設計工程模型，展示成品效果。

（1）嘗試利用電源、燈泡、導線、負載設計對比實驗，對比同一電源供給同一負載，使用高壓送電與直接送電導線能量損失的情況。

（2）學生分組討論設計兩組工程模型，需要在對比中反映出利用變壓器提高送電電壓后再通過輸電線路供給負載和電源直接供給負載。（提示：定值電阻代替負載）

（3）在模型中如何直觀快捷地測試到輸電線路損耗？如果用一個小燈泡來表示導線電阻，應將燈泡與導線采取何種連接方式？如何通過小燈泡來測試導線上有無能量損耗以及損耗能量大??？

（4）每個小組請按照自己設計的圖紙去連接輸電電路并展示工程模型，注意觀察兩組模型中小燈泡的亮度區(qū)別。

（5）同一電源供給同一負載，使用高壓送電比直接送電導線上小燈泡的亮度低。學生根據(jù)工程模型得出高壓送電能有效減小輸電線上的能量損耗，從而提出解決實際工程問題的方法。

（6）根據(jù)研究整合技術，提交工程方案，繪出高壓送電示意圖。

4.整合數(shù)學，解決簡單工程實際問題。

（1）根據(jù)各組畫出高壓輸電的原理圖，分析各部分物理量的數(shù)學關系。

（2）小組討論總結，在送電功率和導線電阻一定時，導線中損失的熱功率與送電電壓的平方成反比。

（3）開放探究，解決工程問題。某臺發(fā)電機輸出功率30千瓦，輸出電壓300伏特，用原線圈、副線圈匝數(shù)之比為1∶4的變壓器進行升壓后，通過總阻值為3歐姆的輸電線路向遠距離輸送電能，送達用戶后需用降壓變壓器降為220伏特，求：①輸電線路上損失的熱電功率是多少？②降壓變壓器的變壓比值是多少？

5.教師根據(jù)解決問題過程和最終模型的呈現(xiàn)進行等級評價。

（三）教育反思

1.做更完善的整合工作，教師是STEM教育的核心。STEM教育需要的是團隊合作學習的進程，而且對教師的要求逐步提高。教師需要勝任各學科之間的整合以及科學與技術工程之間的整合，并且合理引導學生從表面現(xiàn)象認識到內在原理。

2.做更完善的評價系統(tǒng)，評價是STEM教育的根本。目前我們教學多用單學科的獲得性知識評價，還可以考慮引入工程過程的量規(guī)表，幫助教師評價學生在工程設計和實施過程的發(fā)展和進步。

三、心得與展望

工程問題是課程的主要內容。《電能的輸送》案例呈現(xiàn)了STEM教育的典型特征。首先，從目標的設定來看，它是圍繞科學、技術、工程、數(shù)學來制定預設目標，整個項目的推進都旨在實現(xiàn)這些目標。其次，從實施流程上，它圍繞減小輸電線路能量損耗的任務，開展項目式學習。它關注四大領域的全面滲透發(fā)展，而并不只重點關注STEM科學教育領域。

未來的學習很多可能都是不變的，但又處處充滿了變化的挑戰(zhàn)。學科沒變，但學科整合了；知識沒變，但把這個核心的知識整合在一起了。那么未來的教育需要的也是更為深度的學習，知識能力歸納到最核心的能力是問題解決能力、元認知意識、批判思考能力、合作能力、溝通能力和創(chuàng)造力，這些是21世紀社會需要的核心能力。STEM教育為傳統(tǒng)的學科教育注入了新的元素，提供了更好的途徑，讓學生和教師在教育中學會做學習共同體，為所有個體的終身學習服務。