基于STEM教育的中職物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

桑蕊蕊 張皓晶 張雄 李肖 王碧鴻 馮奎

[摘 要]職業(yè)技術(shù)教育是為了培養(yǎng)專業(yè)型技術(shù)人才，對學(xué)生的實(shí)踐工作技能有較高的要求。因此，職業(yè)教育中物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不同于普通高等教育。文章通過聚焦職業(yè)教育的性質(zhì)，提出一種更適合中職學(xué)校采用的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的整合，提高學(xué)生STEM素養(yǎng)的同時，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課做強(qiáng)有力的鋪墊。

[關(guān)鍵詞]職業(yè)技術(shù)教育；物理實(shí)驗(yàn)；工程設(shè)計(jì)；STEM

[中圖分類號] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）29-0039-03

物理學(xué)是一門自然科學(xué)，也是一門帶有方法論性質(zhì)的學(xué)科。職業(yè)技術(shù)教育學(xué)校開設(shè)物理課程的目的不僅是為了普及物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、物體的運(yùn)動規(guī)律以及力的相互作用等基本物理常識，還要求訓(xùn)練學(xué)生解決問題的物理能力，以期為學(xué)生的專業(yè)課程學(xué)習(xí)服務(wù)。只有促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才能提高職教的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)能夠滿足學(xué)生自身發(fā)展需要以及適應(yīng)社會需要的終身發(fā)展的能力，提高學(xué)生解決各種復(fù)雜問題的能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生專業(yè)技能的全面提升。

根據(jù)STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）素養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)職教教學(xué)方法，以期實(shí)現(xiàn)中職教育中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程技術(shù)的有效銜接。首先，職業(yè)教育要實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程技術(shù)的有效鏈接，教師在教學(xué)時，就應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)學(xué)科概念教學(xué)[1]。其次，教師要學(xué)會設(shè)計(jì)教學(xué)情境，根據(jù)學(xué)生專業(yè)側(cè)重點(diǎn)，探尋相關(guān)原始物理問題，將物理與專業(yè)相結(jié)合。將實(shí)驗(yàn)中遇到的物理問題作為課堂實(shí)例進(jìn)行研究探討，從而達(dá)到提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的目的[2]。同時教師要結(jié)合核心概念帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究；再次，教師要加強(qiáng)對學(xué)生數(shù)學(xué)知識的教授，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)知識解決實(shí)際問題。最后，依據(jù)中職學(xué)生的發(fā)展方向以及專業(yè)要求，使其對物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究最終指向社會實(shí)踐，因此要求教師引導(dǎo)學(xué)生在課堂上完成從科學(xué)探究到工程設(shè)計(jì)的跨越。通過物理教學(xué)與工程技術(shù)的有效銜接，使學(xué)生能夠應(yīng)用知識與技能解決實(shí)際問題，促進(jìn)其知識、技能和經(jīng)驗(yàn)之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行有意義的社會建構(gòu)，從而獲得社會性成長[3]。

一、“光的折射”工程設(shè)計(jì)

中職物理學(xué)教材中，以“光的折射”課題為例，其測量液體折射率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一般集中在對阿貝折射儀、牛頓環(huán)等實(shí)驗(yàn)儀器的使用上，然而學(xué)生卻很難掌握這些測量儀器的使用方法以及實(shí)驗(yàn)原理，而且有些學(xué)校缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)資源。筆者根據(jù)STEM素養(yǎng)要求，對傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)：首先詳細(xì)解釋液體折射率的定義；其次融合原始物理問題，結(jié)合核心概念進(jìn)行科學(xué)探究；進(jìn)而利用坐標(biāo)紙、細(xì)竹簽、細(xì)直鐵絲等器材實(shí)施低成本工程設(shè)計(jì)。

1.核心概念

核心概念的作用在于從不同學(xué)科視角審視某一主題或問題時，能使思考者的思維超出學(xué)科局限，促使其思維達(dá)到整合的水平，促進(jìn)其對相關(guān)知識問題的深層次理解，同時顧及知識遷移。在測量液體的折射率這一工程主題下，深入理解折射率的核心概念是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。折射率是量度光在介質(zhì)中傳播速度的物理量（[n=cv]），折射率越小，光在介質(zhì)中的傳播速度就越快。當(dāng)光從一種介質(zhì)（介質(zhì)1）斜射到它與另一種介質(zhì)（介質(zhì)2）的分界面時，傳播方向發(fā)生改變，一部分光會返回到介質(zhì)1中，另一部分光則會進(jìn)入介質(zhì)2中，并且使光線在兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生偏折，從而改變光源的視覺位置，進(jìn)入到介質(zhì)2中的光產(chǎn)生的光現(xiàn)象稱為光的折射。折射率最早出現(xiàn)在光的折射定律（斯涅爾定律）中：入射角[θ1]的正弦與介質(zhì)1的折射率[n1]的乘積等于折射角[θ2]的正弦與介質(zhì)2的折射率[n2]的乘積（[n1sinθ1=n2sinθ2]）。因此，光從真空斜射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比即為這種介質(zhì)的折射率（[n=sinθ1sinθ2]）。液體的折射率在鑒別液體的種類、濃度、溫度等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)“基于液體濃度光學(xué)測量的實(shí)驗(yàn)研究”可知：液體的濃度隨液體折射率的增大而增大[5]。在相同的光照情況下，光從空氣照射到相同溶質(zhì)不同濃度的液體中，液體的折射率越大，則液體的濃度越大，液體對光的吸收率越高，溫度升高越快（比爾定律：[A=kc]，[A]表示溶液的吸光度、[k]為比例常數(shù)、[c]為液體濃度）。

2.科學(xué)探究

鹽梯度太陽池作為一種太陽能熱利用系統(tǒng)，池內(nèi)鹽水溶液的濃度分布對其熱效率的利用研究有重要的意義。一般用比重法測量溶液的濃度，而這種測量方法對太陽池的擾動較大，且測量不方便。但隨著溶液濃度的變化，溶液的折射率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，可以通過測量溶液的折射率推測太陽池中鹽溶液的濃度變化。抽取真實(shí)情景中的原始物理問題，使學(xué)生在真實(shí)世界中利用知識和技能解決問題。圍繞提出的問題進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)學(xué)生對折射率等核心物理概念的持久理解。

根據(jù)測量結(jié)果作散點(diǎn)圖，由散點(diǎn)圖可以明顯發(fā)現(xiàn)鹽溶液濃度與其折射率近似成線性關(guān)系（如圖6所示）。運(yùn)用SPSS軟件對鹽溶液的濃度和折射率之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到鹽溶液濃度與其折射率關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為：[y=505.209x-674.299]（[x]為溶液折射率，[y]為鹽溶液濃度）。為了驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)方案的可操作性，配置濃度為10.6%的鹽溶液，通過實(shí)驗(yàn)儀器測得其折射率為1.357，從而根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的鹽溶液濃度為11.0%。計(jì)算結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的相對誤差為3.8%。結(jié)果較滿意，說明工程設(shè)計(jì)方案的可行性。

二、總結(jié)

職業(yè)教育旨在為社會培養(yǎng)應(yīng)用型人才，因此中職物理教學(xué)不僅要讓學(xué)生掌握基本的物理知識，更要求培養(yǎng)學(xué)生的物理思維，并服務(wù)于專業(yè)課程學(xué)習(xí)?！肮獾恼凵洹惫こ淘O(shè)計(jì)通過將測量太陽池中鹽溶液濃度變化的原始物理問題，轉(zhuǎn)化為測量液體折射率的現(xiàn)實(shí)問題探究，促使學(xué)生將所學(xué)物理知識與真實(shí)情景問題相結(jié)合，從而促進(jìn)知識和經(jīng)驗(yàn)的有意義關(guān)聯(lián)，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程技術(shù)的有效銜接。假設(shè)STEM對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，學(xué)生就應(yīng)當(dāng)在STEM情景中學(xué)會工程和技術(shù)，并且練習(xí)與設(shè)計(jì)相關(guān)的技能[9]。從科學(xué)探究到工程設(shè)計(jì)的跨越，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程性思維，不僅有利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行整合設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)科學(xué)和技術(shù)的綜合性問題解決，在一定程度上提高學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的自我效能感[10][11]，而且能夠增進(jìn)學(xué)生對工程技術(shù)的深度理解，使學(xué)生獲得社會性成長。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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（責(zé)任編輯 易志毅）