在高中物理教學(xué)中滲透STEM教育理念①
——以“研究新型導(dǎo)體的伏安特性曲線”為例

(江蘇省揚(yáng)州市新華中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 引言

STEM教育將科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)等多門學(xué)科進(jìn)行整合，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、合作能力、問題解決能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力等，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。目前我國高中課程標(biāo)準(zhǔn)還是分學(xué)科制定的，但這并不妨礙我們?cè)谖锢斫虒W(xué)中滲透STEM教育的理念，體現(xiàn)STEM課程的情境性、設(shè)計(jì)性、體驗(yàn)性、協(xié)作性、跨學(xué)科性等核心特征。本文以“研究新型導(dǎo)體的伏安特性曲線”為例，整合“直流電路”這一章的幾個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，探討如何在中學(xué)物理教學(xué)中滲透STEM教育理念。

2 問題聚焦：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，描繪新型導(dǎo)體的伏安特性曲線

筆者通過一則新聞報(bào)道引出研究問題，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，同時(shí)明確探究任務(wù)：“記者從中科大獲悉，該校俞書宏教授研究組最近研制出一種新型透明柔性導(dǎo)電材料，這種材料即使放在水或酒精中揉搓，仍能保持良好的導(dǎo)電性，研究人員還基于此柔性導(dǎo)電電極制備出靈敏的柔性電子觸屏……”科學(xué)家不斷地研制出各種新型導(dǎo)電材料，那么這些新型導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性到底如何？它們的電流隨電壓的變化關(guān)系是怎樣的(即伏安特性曲線)？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來描繪這些新型導(dǎo)電材料的伏安特性曲線(I-U圖像)呢？

3 活動(dòng)體驗(yàn)：利用初中物理知識(shí)，描繪小燈泡的伏安特性曲線，并提出新問題

學(xué)生在初中只學(xué)過滑動(dòng)變阻器的限流接法，對(duì)電流表的內(nèi)接法和外接法也難以區(qū)分。筆者讓學(xué)生基于初中所學(xué)知識(shí)，分別用電流表內(nèi)接法和外接法設(shè)計(jì)表格、記錄數(shù)據(jù)、描繪小燈泡的伏安特性曲線。雖然學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過簡(jiǎn)單的電路知識(shí)，但整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，還是或多或少暴露了一些問題，如電表正負(fù)極接反、電表量程選取不合理、表格設(shè)計(jì)不規(guī)范、描點(diǎn)作圖不規(guī)范、出現(xiàn)電路故障時(shí)不會(huì)排查等等。實(shí)驗(yàn)中遇到這些問題，其實(shí)很正常，這正是我們必須經(jīng)常動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、重視實(shí)踐的原因所在。只有正視這些問題，并積極想辦法解決，學(xué)生的各項(xiàng)能力才能逐步得到提高。

筆者糾正了學(xué)生實(shí)驗(yàn)和作圖過程中存在的錯(cuò)誤，然后啟發(fā)他們?nèi)ケ容^電流表內(nèi)、外接的不同，提出以下問題：(1) 分別采用電流表內(nèi)接法和外接法時(shí)，我們做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻明顯不同，哪一種更準(zhǔn)確呢？(2) 根據(jù)大家設(shè)計(jì)的兩種電路，燈泡中的電流、電壓都不能從零開始變化，能否設(shè)計(jì)一種電路使電流、電壓從零開始變化呢？這兩個(gè)問題的提出旨在激發(fā)學(xué)生的好奇心，為接下來新知識(shí)的學(xué)習(xí)埋下伏筆。在教學(xué)過程中，能讓學(xué)生帶著問題、有目的性地去學(xué)習(xí)新知識(shí)，其學(xué)習(xí)效率一定會(huì)高于漫無目的的學(xué)習(xí)效率。

4 學(xué)習(xí)新知：電流(壓)表的改裝、電流表的內(nèi)外接、滑動(dòng)變阻器的分壓接法

欲解決上面提出的第(1)問，要先引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到電流表和電壓表的本質(zhì)，即要引導(dǎo)學(xué)生掌握電流表和電壓表的改裝原理，在此基礎(chǔ)上，再分析電流表內(nèi)外接的不同就比較容易了；欲解決第(2)問，就是要引導(dǎo)學(xué)生掌握滑動(dòng)變阻器的分壓接法。

4.1 電流表、電壓表的改裝

學(xué)生在初中學(xué)習(xí)時(shí)將電流表和電壓表都當(dāng)成理想電表，即在簡(jiǎn)化電路時(shí)“將電流表視為導(dǎo)線、將電壓表視為斷路”，這種觀念“根深蒂固”。為了打破這種觀念，筆者首先設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)操作前，筆者首先問學(xué)生：你認(rèn)為電壓表有沒有示數(shù)？電路中有沒有電流？為什么？多數(shù)學(xué)生認(rèn)為：電壓表有示數(shù)，但電路中沒有電流，因?yàn)殡妷罕碓陔娐分锌梢钥闯墒菙嗦贰９P者先不作點(diǎn)評(píng)，而是讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。緊接著又設(shè)計(jì)了下一個(gè)實(shí)驗(yàn)(兩個(gè)電壓表相同)，如圖2所示，同樣，在實(shí)驗(yàn)操作前問學(xué)生：你認(rèn)為電壓表有沒有示數(shù)？電路中有沒有電流？為什么？這時(shí)，學(xué)生幾乎一致認(rèn)為電壓表沒有示數(shù)，電路中也沒有電流，因?yàn)閮蓚€(gè)電壓表在電路中都被視為斷路，電路不通。

圖1

圖2

在猜想的基礎(chǔ)上再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生有了意外發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)電壓表都有示數(shù)，而且示數(shù)相同。這個(gè)結(jié)果讓學(xué)生感到很驚訝，這是用初中知識(shí)無法解釋的。面對(duì)這樣的“認(rèn)知沖突”，學(xué)生必然會(huì)有濃厚的興趣去探究電流表和電壓表的本質(zhì)。于是，筆者給學(xué)生展示了一下電流表、電壓表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電流表、電壓表其實(shí)有一個(gè)共同的表頭。表頭本質(zhì)上即為一個(gè)靈敏電流計(jì)，而靈敏電流計(jì)本質(zhì)上即為一個(gè)電阻，只不過它能將通過自身的電流大小通過指針偏轉(zhuǎn)顯示出來。

認(rèn)識(shí)了表頭的本質(zhì)，接下來就是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電流表和電壓表的改裝。筆者通過一個(gè)具體問題來引導(dǎo)學(xué)生討論：已知表頭的內(nèi)阻為Rg=120Ω，滿偏電流Ig=3mA，那么，能否將它直接接到一節(jié)干電池兩端？你能想出什么辦法將其改裝成量程為0.6A的電流表嗎？又如何將它改裝成量程為3V的電壓表？

筆者將學(xué)生分為兩組，分別討論以上兩個(gè)問題，即分別研究電流表和電壓表的改裝。然后請(qǐng)學(xué)生代表為全班同學(xué)展示電流表和電壓表的改裝。在此過程中，筆者進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和點(diǎn)評(píng)。最后再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：用改裝后的電表進(jìn)行測(cè)量，加深對(duì)電流表和電壓表改裝原理的理解。

4.2 電流表內(nèi)接法和外接法

當(dāng)學(xué)生已經(jīng)理解了電流表和電壓表的本質(zhì)后，就比較容易分析電流表內(nèi)接法和外接法的不同。

筆者將學(xué)生分為兩組，讓他們分別對(duì)電流表內(nèi)接法和外接法的誤差原因、誤差結(jié)果進(jìn)行分析，并討論什么情況下用電流表內(nèi)接法產(chǎn)生的誤差更小、什么情況下用電流表外接法產(chǎn)生的誤差更小。最后請(qǐng)學(xué)生代表為全班同學(xué)進(jìn)行分析、講解，筆者進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和點(diǎn)評(píng)。

在課堂上，要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，老師適當(dāng)點(diǎn)撥、發(fā)揮出必要的引導(dǎo)作用即可。在學(xué)生交流、討論的過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種錯(cuò)誤，老師要懷著寬容的心態(tài)鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)討論，將犯錯(cuò)視為學(xué)習(xí)的好機(jī)會(huì)。在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，當(dāng)然也會(huì)遇到各種各樣學(xué)生解決不了的問題，這時(shí)老師的“腳手架”作用就該發(fā)揮出來了。但要注意在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)設(shè)置問題，這樣才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入學(xué)習(xí)，取得進(jìn)步。

4.3 滑動(dòng)變阻器的分壓接法

筆者首先向?qū)W生介紹了滑動(dòng)變阻器的分壓接法，然后引導(dǎo)學(xué)生比較滑動(dòng)變阻器限流接法和分壓接法的不同之處，并交流展示?；瑒?dòng)變阻器的分壓接法學(xué)生從來沒有接觸過，所以由筆者介紹。而當(dāng)筆者介紹完分壓接法后，比較限流接法和分壓接法的不同點(diǎn)，則完全可以交給學(xué)生自己處理。筆者設(shè)置了一個(gè)表格，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析討論。這里充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，教師的“教”是為了引導(dǎo)學(xué)生更好地“學(xué)”，因此教師的“教”要“教”得恰到好處，并“適可而止”。

5 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)：用新學(xué)知識(shí)描繪小燈泡的伏安特性曲線

在學(xué)習(xí)了電流表內(nèi)、外接法的不同和滑動(dòng)變阻器的分壓接法之后，學(xué)生就可以對(duì)之前體驗(yàn)活動(dòng)中設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行優(yōu)化了。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，筆者并沒有明確告訴學(xué)生電路設(shè)計(jì)方案，而是讓學(xué)生自己去分析問題，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)碾娐?，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，筆者將“選擇電流表的接法”這個(gè)問題交給學(xué)生去思考。有的學(xué)生提出：燈絲是鎢絲，是一種金屬，阻值相對(duì)較小，應(yīng)該選擇電流表外接法；有的學(xué)生提出：可以通過燈泡銘牌上所標(biāo)識(shí)的額定電壓和額定電流估算燈泡的電阻，再確定如何選擇電流表的接法；有學(xué)生提出可以上網(wǎng)查一下燈絲的電阻；也有學(xué)生想到用“試觸法”等等來決定電流表的接法。

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的意圖是希望學(xué)生掌握描繪新型導(dǎo)體的伏安特性曲線的方法，在科學(xué)家研制新型導(dǎo)體的時(shí)候，其實(shí)一開始也并不清楚新型導(dǎo)體的阻值情況，那么如何選擇電路進(jìn)行測(cè)量呢？因此在這個(gè)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，筆者也并未告訴學(xué)生燈泡的阻值情況，而是讓學(xué)生自己想辦法解決問題。事實(shí)證明，在這個(gè)問題的解決過程中，學(xué)生用到了估算法、試觸法等多種方法，利用了已有生活經(jīng)驗(yàn)(舊知識(shí))、分析數(shù)據(jù)的能力、搜索資料的能力等。因此，教師在教學(xué)中要盡可能設(shè)置一些開放性的問題，設(shè)置的問題也要盡可能貼近真實(shí)的復(fù)雜情境。因?yàn)椋谡鎸?shí)的復(fù)雜情境下，學(xué)生往往需要調(diào)用各種知識(shí)和能力去分析問題、解決問題，這樣學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)解決問題的能力才能得到提高，這正體現(xiàn)了STEM課程的基本理念。

6 拓展延伸：描繪新型導(dǎo)體的伏安特性曲線

學(xué)生體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)是比較傳統(tǒng)、基礎(chǔ)的，在體驗(yàn)活動(dòng)后，有必要對(duì)其進(jìn)行拓展延伸，以拓寬學(xué)生的視野。

(1) 對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，除了可在紙上描點(diǎn)作圖外，還可以通過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這一部分的拓展主要由筆者操作演示，然后請(qǐng)學(xué)生體驗(yàn)操作過程。目的是讓學(xué)生體會(huì)到信息技術(shù)給物理研究帶來的便利，啟發(fā)學(xué)生平時(shí)要注意提高自己的信息技術(shù)水平。

(2) 在體驗(yàn)活動(dòng)中用到的是傳統(tǒng)的電流表和電壓表，其實(shí)還可以通過電流傳感器和電壓傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崟r(shí)地將探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行處理，更為準(zhǔn)確和便捷。通過傳感器實(shí)驗(yàn)，能夠引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)，拓寬學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思路，激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

(3) 介紹其他傳感器及科學(xué)家研制出的一些新型材料。筆者事先布置感興趣的學(xué)生搜集資料，然后全班交流分享。旨在培養(yǎng)學(xué)生搜集、整理相關(guān)資料的能力，以及主動(dòng)學(xué)習(xí)、交流分享的能力。

本案例是由一則新聞報(bào)道引出研究主題，體現(xiàn)了STEM課程的情境性。圍繞這一主題筆者設(shè)置了體驗(yàn)活動(dòng)，體現(xiàn)了STEM課程的設(shè)計(jì)性、體驗(yàn)性。先讓學(xué)生應(yīng)用舊知識(shí)解決問題，而在此過程中又遇到了一些舊知識(shí)無法解決的問題，這就激發(fā)了學(xué)生探索新知的學(xué)習(xí)欲望。在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，筆者首先設(shè)置了一組實(shí)驗(yàn)，通過“先猜想后實(shí)驗(yàn)”，制造出學(xué)生的“認(rèn)知沖突”。在學(xué)生“意料之外”“興趣盎然”之時(shí)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)，并在學(xué)生“力所能及”的知識(shí)領(lǐng)域由學(xué)生進(jìn)行自主探究。通過分組討論、合作交流，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，也鍛煉了學(xué)生語言組織、邏輯思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力，同時(shí)還增強(qiáng)了學(xué)生分享展示的勇氣，體現(xiàn)了STEM課程的協(xié)作性。最后通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)新知識(shí)的理解，打破學(xué)生的“思維定勢(shì)”。在學(xué)生動(dòng)手操作的過程中，會(huì)遇到很多實(shí)際問題，而這些來自真實(shí)情境的問題正是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力的絕佳機(jī)會(huì)，教師和學(xué)生都應(yīng)該積極把握這些機(jī)會(huì)。因?yàn)?，面?duì)真實(shí)情境下的問題，學(xué)生往往要調(diào)用各類知識(shí)和各種能力，同時(shí)借助相關(guān)技術(shù)才能解決真實(shí)的復(fù)雜問題，這體現(xiàn)了STEM課程的跨學(xué)科特征。在這個(gè)過程中，學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力也會(huì)在“不知不覺”中得到提高，這正是STEM教育的初衷。