物理實驗器具制作活動的STEAM教育功能初探

蘇虹 張偉

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

STEAM教育是集科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Arts)、數(shù)學(xué)(Mathematics)于一體的綜合教育，倡導(dǎo)多學(xué)科通過綜合課程相互融合，讓學(xué)生在真實的問題情境中，基于項目活動，應(yīng)用多學(xué)科知識解決問題。

我國基礎(chǔ)教育階段的通用技術(shù)課程關(guān)注學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，以專題或項目學(xué)習(xí)方式，促使學(xué)生運用多學(xué)科知識進行創(chuàng)新設(shè)計與制作，由此掌握工具的使用技能，提升解決技術(shù)問題的能力。物理實驗器具的制作是為開發(fā)物理實驗、改善物理實驗教學(xué)條件而開展的活動，通常關(guān)注的是動手解決實驗條件的不足，強調(diào)學(xué)生通過制作活動加深對相關(guān)物理知識的理解。

目前，我國中學(xué)開展STEAM教育活動的形式多為校本課程或社團活動，通用技術(shù)是獨立開設(shè)的課程，二者與特定學(xué)科內(nèi)容有所關(guān)聯(lián)，但融合不夠。物理實驗器具制作則專注于物理教學(xué)，對學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)和運用多學(xué)科知識解決問題能力的培養(yǎng)關(guān)注不足。

筆者基于指導(dǎo)中學(xué)生物理實驗器具制作的實踐，認為依據(jù)學(xué)生的物理基礎(chǔ)，恰當(dāng)選取制作項目，物理實驗器具制作可同時成為通用技術(shù)課程實施以及STEAM教育的載體，可實現(xiàn)對學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的培育，并達成STEAM教育目標(biāo)。

1 物理實驗器具制作活動可培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)

20世紀(jì)80年代朱正元先生提出“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”的思想，對解決當(dāng)時實驗儀器匱乏的問題具有重要意義。隨著時代的發(fā)展及學(xué)校條件的改善，物理實驗器具制作的工具、材料及其購置途徑都發(fā)生了顯著變化，車床、3D打印，甚至數(shù)控雕刻等高端設(shè)備逐步進入實驗制作室，通過收集生活廢棄物以及網(wǎng)絡(luò)購買，又可以獲取過去很難得到的材料，這就為提升物理實驗器具制作的技術(shù)水平、開展STEAM教育提供了良好條件。

1.1 通過制作活動培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)

在高中物理教學(xué)中，物理實驗器具制作除了關(guān)注實驗本身外，可以適當(dāng)關(guān)注材料與制作技術(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

比如，學(xué)生在仿制摩擦起電機時，依據(jù)靜電原理設(shè)計制作方案后，選用什么材料以及如何制作才能使起電效果最佳就成為關(guān)鍵。學(xué)生用纖維毛領(lǐng)替代羊毛皮作為摩擦起電機起電裝置主材料，并與摩擦靜電起電機原型進行對比(如圖1)，發(fā)現(xiàn)纖維毛領(lǐng)的毛質(zhì)更緊密、柔順，將其與洗潔精空瓶組合成起電裝置效果較好。學(xué)生參照摩擦起電機原型，組裝、變更、調(diào)整制作工藝，可制出性能良好的摩擦起電機(如圖2)。

圖1

圖2

1.2 通過制作活動可提升學(xué)生的物化能力

物化能力是指采用一定工藝方法等，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為有用物品，或?qū)σ延形锲愤M行改進與優(yōu)化的能力。

物理實驗器具制作是綜合性強且較復(fù)雜的實踐活動，需要根據(jù)實驗室設(shè)備條件、制作材料及預(yù)期的實驗功能等繪制設(shè)計圖，調(diào)整方案，優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)。例如，學(xué)生在摩擦起電機設(shè)計活動中，完成初始設(shè)計，在了解制作材料性能、掌握一定工藝方法的基礎(chǔ)上優(yōu)化摩擦起電機設(shè)計圖(如圖3)。

圖3

學(xué)生應(yīng)用木工、金工工具因地制宜地開展實踐制作活動，經(jīng)歷加工裝配流程，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化成物理實驗器具，提升了學(xué)生的物化能力。

1.3 通過制作活動培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力

工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的統(tǒng)籌性思維。制作物理實驗器具時學(xué)生經(jīng)過比較、選擇恰當(dāng)?shù)姆桨附鉀Q技術(shù)難題，提升了學(xué)生工程設(shè)計、選擇、判斷能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

例如，在范德格拉夫起電機制作項目中將易拉罐作為起電裝置，學(xué)生對是否保留易拉罐內(nèi)壁絕緣層展開了討論，在要素分析、整體規(guī)劃后設(shè)計制作方案。并開展探究活動。學(xué)生設(shè)計了三種方案，分別制作相關(guān)裝置，與其他部件組裝成范德格拉夫起電機，并開展靜電實驗探究：將易拉罐絕緣層打磨(如圖4)；在易拉罐內(nèi)、外壁粘貼鋁箔紙(如圖5)；保留易拉罐絕緣層(如圖6)。

圖4

圖5

圖6

學(xué)生通過系列探究比較活動后，發(fā)現(xiàn)：保留了絕緣層的易拉罐作為范德格拉夫起電機起電裝置起電效果最好。設(shè)計多種方案解決范德格拉夫起電機起電效率低的難題，學(xué)生在組裝、測試中解決工程技術(shù)問題，提升了學(xué)生工程思維能力。

2 物理實驗器具制作是開展STEAM教育的有效途徑

物理實驗器具制作活動可以作為STEAM教育的載體，在通用技術(shù)課中開展。

2.1 物理實驗器具制作可以促進STEAM教育的項目化

物理器具制作活動在滿足通用技術(shù)課程實踐項目要求的同時，促進了STEAM教育項目化，以通用技術(shù)課倡導(dǎo)的“大工程、小項目”理念開展物理器具制作活動，將制作工程細化為各個制作項目，可促進STEAM教育項目化的實施。

例如，在通用技術(shù)課上制作范德格拉夫起電機時，學(xué)習(xí)小組設(shè)計了多個制作方案，將傳動裝置劃分為制作項目，以便確定發(fā)電機傳動裝置的規(guī)格。第一組用降速電機帶動透明橡膠管，在橡膠管填充薄鋼管增強其塑性，作為傳送裝置。第二組用降速電機帶動乳膠管，并在乳膠管填充中性筆筆芯增強傳送裝置的韌性，作為傳送裝置。第三組用降速電機帶動橡膠筆桿作為傳動裝置，在筆桿外纏繞橡皮筋，以增加其與絕緣膠帶的傳動能力(如圖7)。通過選取適當(dāng)?shù)牟牧虾椭谱鞴ぞ?，將三組實驗方案設(shè)計制作成起電機裝置，通過測試、對比發(fā)現(xiàn)：第三組設(shè)計方案的聯(lián)動性最好且傳動效率最高。

圖7

以工程思維將物理器具制作活動細化為幾個獨立項目，應(yīng)用數(shù)學(xué)建模、分析等方法解決制作問題，可促進STEAM教育的項目化和工程化。

2.2 物理實驗器具制作為STEAM教育提供了最佳載體

借助通用技術(shù)課、以物理器具制作活動為載體開展STEAM教育，不僅避免了課程資源的浪費，還節(jié)省了學(xué)生學(xué)習(xí)時間，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)。

學(xué)生在通用技術(shù)課程中根據(jù)物理實驗器具制作要求，在物理教師指導(dǎo)下完成方案設(shè)計，熟練運用制作工具，通用技術(shù)實驗室為學(xué)生實踐制作提供了設(shè)備支持，物理教師為學(xué)生提供了技術(shù)和理論指導(dǎo)，物理器具制作活動滿足了學(xué)生的技術(shù)學(xué)習(xí)需求，為STEAM教育提供了良好途徑。

2.3 多學(xué)科實驗器具制作活動為開展STEAM教育提供思路

通用技術(shù)課與物理學(xué)科結(jié)合開展STEAM教育活動，以物理實驗器具制作作為實踐項目，為中學(xué)開展STEAM教育活動提供思路，為通用技術(shù)課程與其他學(xué)科結(jié)合開展STEAM教育活動提供參考。

例如，通用技術(shù)課與化學(xué)結(jié)合開展STEAM教育，以原子、分子結(jié)構(gòu)模型制作作為實踐項目，在模型制作活動中加深學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解；與生物結(jié)合開展STEAM教育，以標(biāo)本制作作為實踐項目，在標(biāo)本制作中提升學(xué)生對動、植物認識；與數(shù)學(xué)結(jié)合開展STEAM教育，以幾何模型制作作為實踐項目，加深學(xué)生對幾何結(jié)構(gòu)認識，提升學(xué)生空間感知能力。

通用技術(shù)課與學(xué)科實驗器具制作結(jié)合開展STEAM教育活動，經(jīng)過合理的課程設(shè)計，STEAM教育與通用技術(shù)課融合，并與理科課程結(jié)合開展實踐制作活動，為分科教學(xué)背景下開展STEAM教育活動提供了思路。

3 結(jié)語

物理器具制作活動可促進通用技術(shù)課程與STEAM教育融合，促進STEAM教育向項目化、模塊化發(fā)展，為STEAM教育開展活動提供了最佳載體，為多學(xué)科實驗器具制作活動開展STEAM教育提供思路，物理實驗器具制作活動可較好地實現(xiàn)STEAM的教育功能。