基于STEM的中學(xué)物理實(shí)踐活動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)
——以“回滾筒“項(xiàng)目為例①

(天津師范大學(xué),天津 300387)

1 問(wèn)題的提出

21世紀(jì)以來(lái),科技進(jìn)步與創(chuàng)新已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?加快推進(jìn)STEM教育,是教育改革的重要一環(huán)。推進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)融合的STEM教育,能夠在幫助學(xué)生打好扎實(shí)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)之上,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力,促進(jìn)創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才的成長(zhǎng)。我國(guó)有很多學(xué)科課程與STEM教育相關(guān)聯(lián),但都是分科教學(xué),所以要將STEM教育理念融入到相應(yīng)的課程體系中。本文以高中“回滾筒”實(shí)踐活動(dòng)為例,開(kāi)展STEM教育理念下項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐活動(dòng),結(jié)合生活中有趣、具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題,把問(wèn)題項(xiàng)目化，學(xué)生通過(guò)問(wèn)題解決完成學(xué)習(xí)任務(wù),獲得成就感。

2 基于STEM的中學(xué)物理實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)思路

STEM教育要求以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)和技能,并能進(jìn)行靈活遷移，解決真實(shí)問(wèn)題?；赟TEM的中學(xué)物理實(shí)踐活動(dòng)應(yīng)當(dāng)具備以下核心特征:跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性等。

“回滾筒”實(shí)踐活動(dòng)面向高一學(xué)生,他們剛剛學(xué)習(xí)了“機(jī)械能及其守恒定律”的內(nèi)容,對(duì)彈性勢(shì)能、動(dòng)能以及機(jī)械能守恒定律已有一定的認(rèn)識(shí)和理解,能夠滿(mǎn)足完成此活動(dòng)的知識(shí)要求，據(jù)此筆者確定此活動(dòng)的教學(xué)目標(biāo)和設(shè)計(jì)思路如下。

2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1) 理解動(dòng)能、勢(shì)能以及機(jī)械能守恒定律,培養(yǎng)綜合利用所學(xué)知識(shí)解釋實(shí)際問(wèn)題的能力。

(2) 體驗(yàn)“回滾筒”的制作過(guò)程,能將生活中較為復(fù)雜的實(shí)際現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理模型,并進(jìn)行分析和推理,獲得正確的結(jié)論并給予合理的解釋。

(3) 從不同角度對(duì)“回滾筒”提出可探究的物理問(wèn)題,制定有一定創(chuàng)意的探究方案。

(4) 體會(huì)合作學(xué)習(xí)的重要性,體驗(yàn)探索過(guò)程，享受學(xué)習(xí)物理的樂(lè)趣。

2.2 教學(xué)思路

在STEM實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)中,通過(guò)回滾筒項(xiàng)目來(lái)達(dá)到學(xué)習(xí)拓展的目的,將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等方面充分融合并加以運(yùn)用。在對(duì)工程的學(xué)習(xí)和了解過(guò)程中,不斷發(fā)現(xiàn)、提出問(wèn)題,利用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)尋找解決途徑,最后運(yùn)用技術(shù)將解決途徑具體化,通過(guò)小組分工配合,達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

在具體活動(dòng)設(shè)計(jì)中,主要從四個(gè)層次進(jìn)行剖析：(1) 科學(xué)層次。需要學(xué)習(xí)機(jī)械能及其守恒定律的相關(guān)知識(shí),例如回滾筒的回滾過(guò)程中蘊(yùn)含能量轉(zhuǎn)化與守恒的原理;(2) 技術(shù)層次。主要涉及回滾筒制作和3D打印技術(shù);(3) 工程層次。要讓學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題并通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題，不斷對(duì)回滾筒進(jìn)行改進(jìn)，最終完成一個(gè)精美的成品;(4) 數(shù)學(xué)層次。主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)測(cè)量、計(jì)算與統(tǒng)籌方面,例如回滾筒的尺寸、質(zhì)量的計(jì)算以及滾動(dòng)距離的估算等。

教師在整個(gè)STEM活動(dòng)中為學(xué)生提供了橡皮筋、螺母、塑料瓶、3D打印機(jī)等實(shí)驗(yàn)器材。

3 “回滾筒”活動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師帶領(lǐng)學(xué)生回憶生活中的具有彈性的物體,引領(lǐng)學(xué)生仔細(xì)體會(huì)生活,對(duì)生活中常見(jiàn)的物體進(jìn)行功能性的聯(lián)想,并使學(xué)生自主將材料的特點(diǎn)總結(jié)出來(lái),導(dǎo)入新課。

教師提問(wèn)：在生活中,大家一定能接觸到各種各樣有彈性的物體，比如彈簧、海綿、橡皮筋等等。這些具有彈性的物體,可以用來(lái)做什么？如果再加上一個(gè)圓筒，大家想怎樣制作？

學(xué)生回憶生活情境進(jìn)行回答，在教師的啟發(fā)下聯(lián)想到滾動(dòng)的筒，從而引出課題：“回滾筒”。

3.2 猜想與設(shè)計(jì)

讓學(xué)生提出猜想,并動(dòng)手實(shí)驗(yàn),在探索中獲得知識(shí),體驗(yàn)科學(xué)的無(wú)窮魅力。此過(guò)程可培養(yǎng)學(xué)生的選擇、規(guī)劃、創(chuàng)造能力,猜想各個(gè)材料在“回滾筒”中的作用,并在不斷的自我否定中得到最終的答案，體現(xiàn)了STEM教育的體驗(yàn)性。

教師提出任務(wù)：請(qǐng)同學(xué)們利用橡皮筋、螺母和塑料瓶制作一個(gè)能夠自由滾動(dòng)的筒。要求學(xué)生提出猜想，理清設(shè)計(jì)思路。提醒學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中注意以下事項(xiàng):(1)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,要保留作圖痕跡,不能使用給定材料范圍之外的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn);(2)設(shè)計(jì)圖紙要有尺寸規(guī)定。

3.3 實(shí)際制作

在制作過(guò)程中,盡可能地讓學(xué)生獨(dú)立完成初步作品,但是教師要在方法上引導(dǎo)學(xué)生,在對(duì)STEM項(xiàng)目的探究過(guò)程中要注重經(jīng)驗(yàn)的積累、對(duì)事實(shí)規(guī)則的認(rèn)識(shí)和運(yùn)用科學(xué)思維方法。在設(shè)計(jì)作品的過(guò)程中,不僅是對(duì)機(jī)械能及其守恒的知識(shí)夯實(shí)過(guò)程,更是對(duì)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃能力的整體鍛煉。力求在學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦做項(xiàng)目時(shí),能掌握并熟練應(yīng)用科學(xué)規(guī)律,體驗(yàn)科學(xué)規(guī)律對(duì)我們生產(chǎn)生活的指導(dǎo)作用,此過(guò)程體現(xiàn)了STEM教育的實(shí)證性。在此過(guò)程中，學(xué)生思考并制作“回滾筒”,以表格形式記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程,以便日后總結(jié)、反思。

3.4 團(tuán)隊(duì)協(xié)作

團(tuán)隊(duì)協(xié)作環(huán)節(jié)不僅是對(duì)作品的反思與改進(jìn),更是對(duì)學(xué)生交流能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的提升，此過(guò)程體現(xiàn)了STEM教育理論下創(chuàng)新課程的協(xié)作性。

教師引導(dǎo)：當(dāng)用你制作好的回滾筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),你是否已經(jīng)注意到,不同人制作的成品,它的滾動(dòng)距離是不同的,那么究竟哪些因素會(huì)影響到滾動(dòng)的距離呢？讓我們一起來(lái)探究一下！

學(xué)生通過(guò)探究，發(fā)現(xiàn)影響滾動(dòng)距離的因素有:筒的形狀、橡皮筋的數(shù)量等。

3.5 客體與模型的轉(zhuǎn)化

在上一環(huán)節(jié)中，學(xué)生歸納出影響回滾筒滾動(dòng)距離的因變量之后,再次進(jìn)行了探索。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并不能保障每個(gè)回滾筒的外形和尺寸一樣,無(wú)法徹底消除誤差,但是我們可利用技術(shù)手段盡量減小誤差，例如通過(guò)3D打印技術(shù)解決回滾筒的尺寸問(wèn)題。在STEM教學(xué)中引入3D打印技術(shù),可滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)未知科技領(lǐng)域的好奇心。利用新技術(shù)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣,從而讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)以致用的成就感,體現(xiàn)了STEM教育的技術(shù)性；模型的轉(zhuǎn)化過(guò)程其實(shí)就是學(xué)科間的一種聯(lián)系和轉(zhuǎn)化,體現(xiàn)了STEM教育理論下創(chuàng)新課程的跨學(xué)科性。

3.6 使用3D制圖軟件進(jìn)行繪圖

現(xiàn)階段的STEM教育模式已將傳統(tǒng)的“廢物利用”式的實(shí)踐思路，拓寬為利用技術(shù)手段激發(fā)和簡(jiǎn)化學(xué)生創(chuàng)新過(guò)程的新思路。就“回滾筒”來(lái)說(shuō),3D打印技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了學(xué)生在完成作品中的繁瑣步驟和困難,使得作品更美觀，圖1為學(xué)生利用3D制圖軟件，繪制的“回滾筒”設(shè)計(jì)圖。

圖1

圖2

3.7 利用模型再探究

利用模型再研究的過(guò)程,不僅僅是完成作品后的反思,更是加深對(duì)科學(xué)規(guī)律理解的重要一步。利用3D打印機(jī)打印出來(lái)的模型(如圖2),再重新對(duì)前面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究,記錄回滾筒滾動(dòng)的距離,改變相關(guān)參量,探究影響因素。引領(lǐng)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行討論,并得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.8 改進(jìn)裝置

在活動(dòng)的最后階段教師提出改進(jìn)裝置的任務(wù),引領(lǐng)學(xué)生從作品的美觀性、藝術(shù)性以及實(shí)用性角度進(jìn)行改進(jìn)。在改進(jìn)環(huán)節(jié),學(xué)生以數(shù)學(xué)為工具,從工程和藝術(shù)角度對(duì)作品進(jìn)行改進(jìn),這種模式更能促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

在“回滾筒”活動(dòng)中，教師針對(duì)學(xué)生初步制作的裝置，提出以下問(wèn)題：用牙簽來(lái)固定你的橡皮筋看起來(lái)不是很美觀,如何改進(jìn)？對(duì)筒滾動(dòng)的距離有沒(méi)有影響？你可以與同學(xué)進(jìn)行討論、交流。

學(xué)生認(rèn)真思考改進(jìn)方法,并積極嘗試,在改進(jìn)過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)會(huì)與同學(xué)溝通,尋求老師的幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

STEM教育已走進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)教育之中,與高中物理課程相融合,并采用了先進(jìn)的技術(shù)。就“回滾筒”的實(shí)踐活動(dòng)來(lái)說(shuō),3D打印技術(shù)解決了學(xué)生在完成作品中的很多問(wèn)題,將藝術(shù)與科技結(jié)合起來(lái)。通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí),培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。