STEM教育視野下促進物理學(xué)科核心素養(yǎng)提升的高中物理實踐活動的探索

孫佩雄 劉通

摘 要：STEM教育是綜合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱，其主要圍繞技術(shù)與工程問題，為學(xué)習(xí)者設(shè)置一系列背景活動并完成工程任務(wù)。本文主要體現(xiàn)在高中物理活動教學(xué)中，將STEM教育與物理學(xué)科核心素養(yǎng)相結(jié)合，形成以“電磁炮”項目為案例的創(chuàng)新活動設(shè)計。該實踐活動設(shè)計包括教學(xué)背景的分析，基于STEM教育理念促進物理學(xué)科核心素養(yǎng)提升的教學(xué)目標(biāo)和設(shè)計思路，實踐過程以及教學(xué)反思，闡述高中STEM物理活動教學(xué)是在工程問題的基礎(chǔ)上，運用數(shù)學(xué)、科學(xué)知識，通過技術(shù)達成最終目標(biāo)，培養(yǎng)適應(yīng)社會的創(chuàng)新性人才。

關(guān)鍵詞：STEM教育；核心素養(yǎng)；電磁炮；物理實踐活動

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）9-0015-4

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中不斷形成的適應(yīng)社會需要和個人發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力，對學(xué)生的發(fā)展有著重要的意義。培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，可以從“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面入手。國務(wù)院在前不久頒發(fā)的《關(guān)于深化教育體制改革的意見》中也指出，要注重培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知、合作、創(chuàng)新和職業(yè)四大關(guān)鍵能力。這四大能力在上述四個方面中均有體現(xiàn)。

STEM是由Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學(xué)）的首字母所組成的。這也就是說，STEM教育重點是加強對學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。但這并不意味著STEM素養(yǎng)就只是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的簡單組合，而是學(xué)生靈活運用知識和經(jīng)驗去解決實際問題的能力。STEM教育理念與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出不謀而合，事實上，物理實踐活動教學(xué)不僅僅是教師在課堂上向?qū)W生傳授知識，還需要學(xué)生在理解知識后，把它作為一種工具和方式去探討科學(xué)。將STEM教育理念應(yīng)用于物理活動教學(xué)中，不僅可以改變教學(xué)方式，還可以使學(xué)生在學(xué)物理知識的同時學(xué)到其他的知識及方法，從而培養(yǎng)學(xué)生成為創(chuàng)新型人才[1]。

現(xiàn)在對STEM教育的看法大致上可以分為兩種：第一種是將它看作是以工程和科學(xué)為主的給學(xué)生提供與其相關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷的教育；第二種是在科學(xué)知識的基礎(chǔ)上，把四門學(xué)科有機地結(jié)合起來去解決問題的方式。筆者對STEM的物理活動的研究是用第一種看法來開展的，以下是在物理學(xué)科核心素養(yǎng)基礎(chǔ)上的STEM課程的創(chuàng)新與實踐的例子。課程的主題為：“電磁炮”（共歷時4課時）。

1 教學(xué)背景分析

本活動課程是在天津市第二十一中學(xué)的實驗班進行的。學(xué)生學(xué)習(xí)能力較強，學(xué)科知識扎實，特別是物理學(xué)科成績較為突出，且他們剛剛完成高中人教版物理教材選修3-1的《靜電場》《磁場》和《電容器》以及選修3-2的《電磁感應(yīng)》和《交變電流》部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對電磁現(xiàn)象、電容器以及電路等內(nèi)容有一定的認(rèn)識，這些使得他們在科學(xué)知識方面可以完成“電磁炮”項目。但這些學(xué)生在電磁現(xiàn)象的綜合應(yīng)用方面存在一些問題，他們不能把學(xué)到的知識靈活地應(yīng)用到與其相關(guān)的問題上。筆者選擇“電磁炮”為課程主題是基于以下兩個原因：（1）項目本身是一個有趣的情境實驗，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，綜合電磁的物理知識，使學(xué)生對電磁現(xiàn)象的應(yīng)用有更深刻的理解；（2）學(xué)生不能很好地單獨完成此項目，所以此項目可以通過學(xué)生合作完成來培養(yǎng)他們的合作和創(chuàng)新能力。

2 實踐活動設(shè)計思路

此STEM 物理活動實踐教學(xué)，通過“電磁炮”項目來達到學(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用。在實施項目的過程中首先提出工程任務(wù)，結(jié)合學(xué)生已具備的科學(xué)知識與經(jīng)驗，利用所給材料設(shè)計一套方案；再通過物理學(xué)科背景實驗活動一步步了解工程的設(shè)計過程，并在完成實驗的過程中學(xué)習(xí)和探索科學(xué)知識，利用數(shù)學(xué)知識分析解決問題；最后將解決途徑具體化，通過小組的分工配合，達到最終目的。

針對“電磁炮”項目，從四個層次進行剖析?？茖W(xué)層次需要了解電磁和電容的相關(guān)知識，整個項目主要建立在高中物理所學(xué)的電磁學(xué)知識上，主要包括電路設(shè)計、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、使用電容器等；技術(shù)層次主要體現(xiàn)在物理實驗過程中；工程層次要讓學(xué)生學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題，提出問題并通過實驗解決問題；數(shù)學(xué)層次主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)測量、計算與統(tǒng)籌方面，例如在制作完成“電磁炮”后，比較不同小組“電磁炮”射程的遠近，做好相應(yīng)記錄，探究是什么因素造成電磁炮射程不同，并得出相應(yīng)的結(jié)論[3]。

3 實踐活動實施

3.1 第一階段：課題引入，提出工程問題（歷時1課時）

分發(fā)“電磁炮”項目的相關(guān)資料，學(xué)生自由分組，選出小組長，通過小組合作的方式，讓學(xué)生先自行了解電磁炮的相關(guān)資料。資料中提到， 1845年，查爾斯·惠斯通制作出世界上第一臺磁阻直流電動機，并用它把金屬棒拋射了20 m遠。20世紀(jì)70年代初，澳大利亞國立大學(xué)建造了第一臺電磁發(fā)射裝置，將3 g重的塑料塊（炮彈）加速到6000 m/s的速度。20世紀(jì)70年代，澳大利亞國立大學(xué)的查里德·馬歇爾博士運用新技術(shù)，把3 g彈丸加速到5.9 km/s。電磁炮是以儲存的電能為動力來源，用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標(biāo)所需的速度。資料中部分圖片展示，如圖1所示。作為當(dāng)代的學(xué)生，應(yīng)該了解武器的原理和發(fā)展。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考在完成電磁炮過程中需要解決的三個問題并進行相關(guān)物理實驗背景活動，統(tǒng)一各組意見后得出如下三個問題：

問題一：電與磁之間存在怎樣的關(guān)系？

問題二：磁場力之間有怎樣的相互作用？

問題三：怎樣提供動力來源？

設(shè)計意圖：通過閱讀電磁炮的相關(guān)資料，提出本課程的工程任務(wù)，為解決工程任務(wù)，討論需解決的相應(yīng)問題，使學(xué)生理解完成工程任務(wù)需要進行項目分解。

3.2 第二階段：電磁炮的制作與發(fā)射（歷時1課時）

在課上，教師分發(fā)項目材料——一個12 V的鋰電池、一個12 V～400 V的升壓電路、發(fā)射開關(guān)——繼電器、兩個電容器（450 V 100 μF）、兩根不同粗細的電磁棒、一個卷尺、導(dǎo)線若干（如圖2所示）。小組在查閱了文獻等參考資料的基礎(chǔ)上，合作了解各個實驗器材的原理和使用方法，并設(shè)計實驗電路圖，根據(jù)電路圖將材料連接完整，然后嘗試進行發(fā)射，不斷改進實驗電路，使電磁炮射程最遠，如圖3所示。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生了解電和磁的關(guān)系，運用數(shù)學(xué)知識測量射程，達到最佳效果。讓學(xué)生親自動手完成制作，一方面讓學(xué)生感受科技的魅力，提高創(chuàng)新能力；另一方面提高了學(xué)生的動手實踐能力，培養(yǎng)團結(jié)互助的精神。

3.3 第三階段：電磁炮的物理背景實驗活動（歷時1課時）

問題1：電與磁之間存在怎樣的關(guān)系？

背景實驗1：在通電螺線管附近放置幾個小磁針，給導(dǎo)線通電，重復(fù)實驗并觀察通電瞬間小磁針的變化。

實驗現(xiàn)象：通電瞬間小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電流穩(wěn)定后小磁針不再偏轉(zhuǎn)。

實驗解釋：通電瞬間電流突然增大，使導(dǎo)線附近產(chǎn)生了磁場，小磁針在該磁場的影響下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電流穩(wěn)定后磁場也穩(wěn)定下來，小磁針不再偏轉(zhuǎn)。

背景實驗2：桌面上放置一塊或兩塊蹄形磁鐵，導(dǎo)線直接與靈敏電流計相連。將部分導(dǎo)線拉直，并在磁鐵的兩級間沿與磁感應(yīng)強度垂直的方向移動，做切割磁感線運動，觀察電流表示數(shù)的變化。觀察改變導(dǎo)線移動速度對電流表示數(shù)有什么影響。

實驗現(xiàn)象：電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)線在切割磁感線時產(chǎn)生了電流。切割磁感線的速度越快，電流表的最大示數(shù)越大。

實驗解釋：導(dǎo)線在切割磁感線時實際上是使閉合回路中的磁通量發(fā)生了改變。變化的磁通量使導(dǎo)體產(chǎn)生電動勢，該電動勢會驅(qū)使閉合回路或?qū)w內(nèi)的電子發(fā)生流動，形成感應(yīng)電流。直導(dǎo)線移動速度越快，即磁通量變化率越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。

問題2：磁場力之間有怎樣的相互作用？

背景實驗3：將兩個標(biāo)好各自極性的磁鐵分別固定在兩個小車上，讓小車放置磁鐵S極的一端撞向另一小車放置S極的一端，再讓兩車放置N極的兩端相撞，重復(fù)實驗并觀察產(chǎn)生了怎樣的現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：小車放置同極磁鐵的兩端無法相撞，當(dāng)兩車行至一定的距離后，還未相撞就被一個無形的力推開。

實驗解釋：磁鐵周圍的磁場中產(chǎn)生的同極磁力具有互相排斥的性質(zhì)，在相斥的磁力的作用下，兩小車無法相撞。

背景實驗4：將一個圓形鋁環(huán)懸掛在空中，將條形磁鐵的一端靠近鋁環(huán)，觀察實驗現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：圓環(huán)向遠離磁鐵的方向運動。

現(xiàn)象解釋：磁鐵靠近圓環(huán)使圓環(huán)內(nèi)的磁通量發(fā)生改變，產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場力與磁鐵的磁場力相互排斥，所以圓環(huán)被排斥。

背景實驗5：將螺線管與交流電源相連，在螺線管外圈套一個鋁環(huán)，閉合開關(guān)，逐漸增大電源電壓，觀察實驗現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：隨著電壓不斷增強，鋁環(huán)開始慢慢跳動并且跳動幅度越來越大。

實驗解釋：交流電電場不斷發(fā)生改變，由于電磁感應(yīng)，鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流磁場方向與螺線管中電流方向相反，由于同極磁場互相排斥，鋁環(huán)被排斥開。隨著交流電壓的增強即電流增強，磁場變化率增大，感應(yīng)電流磁場也增大，斥力增大，于是鋁環(huán)跳動的幅度越來越大[4]。

問題3：怎樣提供動力來源？

背景實驗6：使電源與電流表直接串聯(lián)，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄電流表讀數(shù)。按照給定圖示連接電路，先將開關(guān)連接至A處，待電源給電容器充滿電后再將開關(guān)接至B處。觀察電流表的偏轉(zhuǎn)情況，并與電源直接連接電流表的現(xiàn)象作比較。

實驗現(xiàn)象：電容器連接電流表瞬間，電流表指針發(fā)生極大的偏轉(zhuǎn)，比電源直接連接電流表的偏轉(zhuǎn)角度大得多。

實驗解釋：電容器的兩個極板在充電過程中帶上等量異種電荷，當(dāng)用導(dǎo)線將兩極板接通時，兩極板上的正負電荷通過導(dǎo)線發(fā)生定向移動，形成電流。電容器電容越大，在同一電源中充滿電后，電容器所帶電荷越多即儲能越多，將兩極板連通瞬間電流變化越大。

設(shè)計意圖：設(shè)置與電磁炮原理相關(guān)的物理實驗背景活動，讓學(xué)生了解并掌握電磁炮的基本原理，對自己的成果進行改進。在這樣的背景探究中培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和邏輯思維能力，并讓他們認(rèn)識到不同科學(xué)知識之間的聯(lián)系，學(xué)會在實際運用中將不同的知識緊密結(jié)合，進而完成一個完整的工程項目。

3.4 第四階段：比賽測試電磁炮的發(fā)射性能（歷時1課時）

經(jīng)過以上物理背景活動實驗，理解了電磁炮的發(fā)射原理，學(xué)生對本組設(shè)計的電路圖和搭建的電磁炮進一步完善與優(yōu)化。為了讓學(xué)生體會電磁炮的“威力”，教師組織學(xué)生分組比賽，通過電磁炮射程比賽，記錄不同電磁炮的射程（表1），教師帶領(lǐng)學(xué)生分別分析優(yōu)勝組和淘汰組的特征，可以發(fā)現(xiàn)電容器并聯(lián)時的發(fā)射性能優(yōu)于電容器串聯(lián)時的發(fā)射性能。細鐵棒的射程優(yōu)于粗鐵棒的射程。并且在此過程，學(xué)生自主提出電磁炮的射程是否跟通電螺線管的匝數(shù)有關(guān)，是否和炮彈放在螺線管的位置有關(guān)， 繞制多級發(fā)射線圈，對比分析發(fā)射性能等問題。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過實踐，在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，進而通過探究解決問題，把所學(xué)的物理知識合理地運用到生活之中。用數(shù)學(xué)工具測量電磁炮的射程，充分體現(xiàn)了STEM教育的核心思想——實踐出真知，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究精神，感悟?qū)嶒灣晒膩碇灰祝萌の都ぐl(fā)學(xué)生的興趣，讓他們愛上科學(xué)，更有動力去研究科學(xué)[5-6]。

4 實踐活動反思

“電磁炮”活動項目的研究與制作，提高了學(xué)生的探索能力，同時使學(xué)生體會科學(xué)的奧秘。STEM教育的核心就是鍛煉學(xué)生的動手能力，并從中理解科學(xué)、檢驗真理。此項目中設(shè)置的物理背景實驗可以對之前的方案進行驗證，并在對實驗的思考與驗證過程中，不斷地改進，從而更靠近科學(xué)的真理。直到最后一秒，我們能真正感受到科學(xué)的魅力，感受到電磁炮的神奇之處，這與我們的探索精神密不可分。

STEM教育與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心在于提高學(xué)生的綜合能力。經(jīng)過項目式的教學(xué)，提出工程問題，設(shè)計并完成“電磁炮”，要求學(xué)生具有較強的思維邏輯，同時可以培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)知識解決工程問題的能力和勇于質(zhì)疑的精神。對物理教師而言，應(yīng)該鼓勵學(xué)生提出問題，并根據(jù)所學(xué)知識和相應(yīng)的背景活動去研究問題，找到答案，這樣不僅可以鞏固學(xué)生所學(xué)的知識，還可以將知識運用到實際生活中去，體驗STEM教育的真正意義。

參考文獻：

[1]謝麗， 李春密. 物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J]. 物理教師， 2017， 38（4）：2-4.

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