STEM理念下中學(xué)物理創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

翁宗琮

一、問題的提出

新課程改革對中學(xué)物理教學(xué)提出了全新的教學(xué)理念，首先是培養(yǎng)中學(xué)生了解并采用科學(xué)家的探究精神發(fā)現(xiàn)和解決物理問題，全面發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。其次是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會細(xì)致觀察生活中的物理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的STS教學(xué)理念。第三是通過多種學(xué)習(xí)與探究方式讓學(xué)生發(fā)揮自身的想象力與創(chuàng)造力發(fā)現(xiàn)和解決物理問題。探究性實(shí)驗(yàn)，是指學(xué)生在不知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，以教師所給的啟發(fā)性問題為指導(dǎo)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、思考分析得出結(jié)論的實(shí)驗(yàn)形式。由學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗(yàn)物理探究過程，不僅可以獲得物理知識與技能，還可以激發(fā)對物理的學(xué)習(xí)興趣。通過了解物理探究的方法，知道物理的本質(zhì)，形成科學(xué)精神和科學(xué)價值觀，從而全面發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

STEM教育(STEM Education)源于美國。美國科學(xué)教育學(xué)者最早于20世紀(jì)50年代提出科學(xué)素養(yǎng)概念，并得到了其他國家科學(xué)教育學(xué)者的普遍認(rèn)同；到20世紀(jì)90年代，美國國家科學(xué)基金會首次使用STEM描述涉及一至多門STEM學(xué)科的事件、政策、項(xiàng)目或?qū)嵺`;在小布什總統(tǒng)兩屆任期內(nèi)，STEM作為新概念不斷出現(xiàn)在美國各種改革政策和項(xiàng)目甚至法律中；奧巴馬總統(tǒng)執(zhí)政之后，對STEM教育的重視提升到新的層次。上任初，他便頒布了《美國振興及投資法案》，將增加財(cái)政投入支持STEM教育寫進(jìn)法案；值得注意的是，美國STEM教育的推廣不是在政府指導(dǎo)下單純依靠學(xué)校推動，而是動員了全社會特別是企業(yè)界的力量(中國教育信息化網(wǎng)，2018)。物理探究實(shí)驗(yàn)在實(shí)質(zhì)上是一種模擬性探究活動。具體而言是一個以學(xué)生為主體的探究學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生通過經(jīng)歷與科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究相似的過程，學(xué)習(xí)物理知識與技能，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，領(lǐng)悟科學(xué)的精神和思想。對于中學(xué)生而言，物理探究實(shí)驗(yàn)有利于在物理新課程的教學(xué)活動中，讓學(xué)生體會從自然到物理，從生活到物理的STS理念，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究求知精神、實(shí)踐能力以及創(chuàng)新思維。因此，在中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)過程中引入STEM理念指引下的Arduino傳感器平臺等，不僅能夠幫助學(xué)生更加直觀地理解物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更能夠提高物理教師自身的專業(yè)化發(fā)展。

二、STEM理念下中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

STEM教育既有堅(jiān)實(shí)的教育理論和教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)，又是技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動力，而物理演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，把STEM理念應(yīng)用到中學(xué)階段的物理教育，更是全新的嘗試。所以，綜合STEM課程的創(chuàng)新、靈活、開放等特點(diǎn)，在“眾創(chuàng)時代”隨著項(xiàng)目學(xué)習(xí)的展開，越來越受到物理教育研究人員的青睞。筆者希望能借助STEM教育理念在本校開展以傳感器演示物理實(shí)驗(yàn)為教學(xué)基礎(chǔ)的物理實(shí)驗(yàn)課堂教育實(shí)踐活動，為本校學(xué)生的物理學(xué)習(xí)找到自己可以持續(xù)發(fā)展的道路，從而把更多的學(xué)生培養(yǎng)成具有科學(xué)創(chuàng)新探究精神的人才。筆者認(rèn)為，STEM理念下中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾個原則。

1.科學(xué)性原則

首先，搭載傳感器的物理創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能出現(xiàn)科學(xué)性錯誤，不可以展示錯誤的物理概念和科學(xué)原理。其次，要遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，用實(shí)時呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)對學(xué)生的初次認(rèn)知形成良性刺激。能夠創(chuàng)造條件讓學(xué)生親自動手的實(shí)驗(yàn)一定要讓學(xué)生親自嘗試操作，畢竟每個學(xué)生對知識的認(rèn)知和接受過程存在比較大的差異性。堅(jiān)持創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)只能起到輔助學(xué)習(xí)的作用，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不能取代傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的作用，只能輔助教師的教、學(xué)生的學(xué)。以壓力傳感器為例，通過這個傳感器可以直接讀取物體對水平面所產(chǎn)生的壓力(即物體的重力)，但是這個演示實(shí)驗(yàn)不能直接代替學(xué)生對彈簧測力計(jì)的認(rèn)知與使用，只能在特定的場合使用。學(xué)生對于彈簧測力計(jì)的使用方法與讀數(shù)方法還是要熟悉和掌握的。

2.悅納性原則

創(chuàng)新物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該做到使大部分教師和學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊荒苛巳?，是為了更加?zhǔn)確與直接地讀取數(shù)據(jù)從而驗(yàn)證探究實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，這樣的創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)才有應(yīng)用價值，同時還要經(jīng)得起實(shí)踐的檢驗(yàn)。同時，中學(xué)物理教育非常注重思維的敏捷性，注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。創(chuàng)新物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該注重把物理實(shí)驗(yàn)中的重要難點(diǎn)以及解決實(shí)際問題的思路以最簡約的方式傳達(dá)給學(xué)生。

3.實(shí)用性原則

創(chuàng)新物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)習(xí)材料、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)對象等相關(guān)因素，切忌為了讓實(shí)驗(yàn)更加高大上而故意使用可有可無的傳感器。創(chuàng)新物理演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最終教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生有步驟、有計(jì)劃地收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)材料，根據(jù)傳感器反饋回來的真實(shí)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理、掌握認(rèn)知難點(diǎn)、理解物理探究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵。創(chuàng)新物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠幫助找出學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)，結(jié)合認(rèn)知規(guī)律從而采用不同的設(shè)計(jì)方案和教學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)所展示的數(shù)據(jù)也要留下思考的余地，注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動機(jī)，以提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

三、STEM理念下中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)案例—中學(xué)物理(2012人教版)

1.Arduino搭載溫度傳感器—適用于第三章《物態(tài)變化》中的熔化與凝固、汽化與液化等知識的講解

熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)是物理學(xué)中兩個密切相關(guān)的概念?，F(xiàn)行義務(wù)教育教材各類版本在編排本節(jié)內(nèi)容時，大都采用通過做海波熔化演示實(shí)驗(yàn)，結(jié)合熔化圖像推出熔點(diǎn)定義，結(jié)合凝固圖像推導(dǎo)出凝固點(diǎn)定義，進(jìn)而得到結(jié)論：“同一種物質(zhì)(晶體)的凝固點(diǎn)和它的熔點(diǎn)相同。”然而當(dāng)具體操作此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)并非如此。面對實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的現(xiàn)象和教材中的結(jié)論，筆者選擇利用溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度計(jì)進(jìn)行物態(tài)變化的相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)，同時在高清攝像頭的輔助下，學(xué)生可以更清晰地觀察海波的熔化過程(如圖1所示)。

圖1 溫度傳感器支持的海波熔化溫度探究演示實(shí)驗(yàn)

海波(硫代硫酸鈉Na2S2O3?5H2O)是一種熔點(diǎn)為48℃的無機(jī)鹽晶體。傳統(tǒng)的物理探究實(shí)驗(yàn)通過觀察溫度計(jì)的示數(shù)變化使學(xué)生認(rèn)識、理解晶體在熔解和凝固過程中保持溫度不變的特性。但是受海波的純度和海波顆粒大小的影響，在課堂實(shí)時演示海波的熔化與凝固實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生很難觀察到溫度計(jì)在48℃的位置有短時間的停留，因此筆者采用溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度計(jì)，讓學(xué)生能夠更加清晰地觀察到海波熔化與凝固時的溫度變化。

2.Arduino搭載超聲波傳感器——適用于第二章《聲現(xiàn)象》中的超聲波知識以及第一章《機(jī)械運(yùn)動》講解幫助學(xué)生理解速度的定義

圖2 超聲波傳感器支持的測距儀

中學(xué)物理(2012人教版)八年級(上)教材第二章《聲現(xiàn)象》第二節(jié)《聲音的特性》中對超聲波與次聲波有如下的解釋：“高于20 000 Hz的聲音叫作超聲波,低于20 Hz的聲音叫作次聲波；大象可以用次聲波交流，地震、火山爆發(fā)、臺風(fēng)、海嘯等都伴有次聲波發(fā)生，一些機(jī)器在工作時也會產(chǎn)生次聲波；蝙蝠可以發(fā)出超聲波?！睂W(xué)生對這種無法直接聆聽的超聲波會覺得感知模糊，雖然教材對超聲波的應(yīng)用也作了相應(yīng)的解釋，但是在對學(xué)生的中學(xué)物理學(xué)習(xí)方法的問卷調(diào)查與訪談中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對超聲波的認(rèn)識不夠直觀。如果能有一種設(shè)備比較直接地反映超聲波的存在與應(yīng)用，則能夠在課堂上幫助學(xué)生更好地認(rèn)識超聲波的概念。

利用Arduino搭載超聲波傳感器，利用Arduino將傳感器反饋回來的信息通過數(shù)字液晶顯示屏顯示出障礙物的距離。這款簡單的測距設(shè)備可以讓學(xué)生比較直觀地觀察出液晶屏顯示出的數(shù)字距離之所以會不斷地變化的原因，是由于利用的超聲波對障礙物的反射特性，可以讓學(xué)生對超聲波的存在留下比較深刻的印象，并極大提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣(如圖2所示)。

3.Arduino搭載壓力傳感器—適用于第十一章《功和機(jī)械能》

中學(xué)物理(2012人教版)第十一章《功和機(jī)械能》中提到了“重力勢能”這一概念，課標(biāo)對這一章節(jié)有以下一些要求：“3.2.2知道機(jī)械功和功率。用生活中的實(shí)例說明機(jī)械功和功率的含義。3.2.1知道動能、勢能和機(jī)械能。通過實(shí)驗(yàn)，了解動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化。舉例說明 機(jī)械能和其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化?！痹趯?shí)際教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)片斷的演示實(shí)驗(yàn)無法讓學(xué)生對于重力勢能有比較系統(tǒng)的理解，學(xué)生看了演示實(shí)驗(yàn)后仍然無法明白，重力勢能的大小是如何區(qū)分以及難以區(qū)分影響重力勢能大小的因素。希望能夠以一種數(shù)字化顯示的方式體現(xiàn)重力勢能的大小，讓重力勢能大小的改變以具體數(shù)字的形式進(jìn)行體現(xiàn)，從而幫助學(xué)生更好地理解影響重力勢能大小的因素，所以使用Arduino主板搭載壓力傳感器實(shí)現(xiàn)這一目的。

利用Arduino搭載壓力傳感器，通過改變下落物體的質(zhì)量以及下落物體的高度，撞擊壓力傳感器產(chǎn)生的不同數(shù)值，模擬重力勢能的變化，引導(dǎo)學(xué)生探究與分析影響重力勢能大小的因素，可以讓學(xué)生對重力勢能的概念留下比較深刻的印象，并極大提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣(如圖3所示)。

圖3 Arduino支持下探究影響重力勢能大小因素的裝置

4.Arduino搭載紅外線傳感器—適用于第八章《運(yùn)動與力》中牛頓第一定律的講解

關(guān)于牛頓第一定律的課程標(biāo)準(zhǔn)解讀為：(1)在課程目標(biāo)上注重提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)：牛頓第一定律深刻揭示了運(yùn)動與力的關(guān)系，是人類對世界本質(zhì)規(guī)律認(rèn)知的成果。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)的過程中應(yīng)樹立起對科學(xué)、真理的追求。(2)在課程實(shí)施上注重自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化：本節(jié)內(nèi)容的難度中等，適合學(xué)生自主討論學(xué)習(xí)，并運(yùn)用所學(xué)知識解決問題，解釋生活中的現(xiàn)象。(3)在課程結(jié)構(gòu)上重視基礎(chǔ)，體現(xiàn)課程的選擇性：牛頓第一定律是整個力學(xué)的基礎(chǔ)，把最基本的勻速直線運(yùn)動和物體是否受力聯(lián)系起來，確立了力和運(yùn)動之間的關(guān)系，是前面力的作用效果的延伸，又為學(xué)習(xí)二力平衡的知識打下了基礎(chǔ)，起著承前啟后的作用。因此制作一個裝置，可以將小球在同一高度滾下來接觸不同粗糙程度的介質(zhì)時速度的變化用數(shù)字化的形式表現(xiàn)出來，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀、明顯。

這個作品的制作過程先是利用木板搭建一個支架，然后利用廢舊的塑料線槽做一個軌道用于小球從同一高度滾下，再利用一個相對較小的線槽做一個小球滾動的彎曲軌道，目的是讓小球在進(jìn)入不同粗糙程度的介質(zhì)表面時，減小高度差，因?yàn)殇伾辖橘|(zhì)時會墊高接觸表面，所以小的塑料軌道可以和墊高的介質(zhì)表面平穩(wěn)對接。再利用兩個紅外線傳感器測量小球通過的時間，最后利用Arduino主板實(shí)時計(jì)算出小球在不同的介質(zhì)表面通過的速度，并通過這個液晶顯示屏顯示出來(如圖4所示)。

圖4 搭載紅外線傳感器的牛頓第一定律演示裝置

四、STEM理念下中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐效果

筆者在2017學(xué)年中學(xué)物理八年級教學(xué)過程中進(jìn)行了STEM理念下中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，對象為來自廣州市第一二三中學(xué)的8個教學(xué)班360人。經(jīng)過2個學(xué)期的實(shí)驗(yàn)，在學(xué)期末利用問卷調(diào)查和訪談的方法分析了學(xué)生對于創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)的接受程度(見表1)。

表1 學(xué)生對于STEM理念指引下創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)的接受程度

在針對不同層次的學(xué)生進(jìn)行的訪談中，學(xué)生普遍對創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)很感興趣。尤其對實(shí)時展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析興趣濃厚，這與初中的學(xué)生所具有的喜愛分享、喜歡展示自己的個性有很大的關(guān)系。此外創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)很大程度上允許學(xué)生自主探究和學(xué)習(xí)，這讓本來生硬的知識通過信息化的環(huán)境變得生動有趣。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過計(jì)算機(jī)直接顯示在大屏幕上，這就讓大部分學(xué)生都能夠?qū)崟r觀看探究實(shí)驗(yàn)過程，尤其坐在課室最后兩排的學(xué)生，常常因?yàn)闊o法看清教師的實(shí)驗(yàn)演示過程而感到非?？鄲?。STEM理念下的物理探究演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在能夠看清實(shí)驗(yàn)過程的同時，對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。

五、結(jié)語

筆者認(rèn)為，在STEM理念的指引下，物理課堂合理地運(yùn)用Arduino傳感器進(jìn)行輔助，有助于創(chuàng)設(shè)有趣探究的課堂氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的主體參與意識，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主性，更能有效地參與物理學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握物理的積極性變得更高。通過信息技術(shù)手段的輔助，學(xué)生能更靈活地應(yīng)用所學(xué)物理知識，對物理探究性問題的解決更有幫助。