基于STEM教學(xué)理念的影響水火箭射程的因素探討*

邱龍斌 張皓晶 張雄 李立 榮爭輝 吳楊峰

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500 )

1 引言

STEM教育是美國教育改革的標(biāo)志，是國際上教育改革的前沿.其名稱來源于4門學(xué)科的英文首字母，即科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合[1].STEM教育提倡的是進(jìn)行學(xué)科間的交叉學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)一個知識點(diǎn)，即可以涉及到多個學(xué)科的知識.以跨學(xué)科、情境性、趣味性、體驗性等為特征，通過探究式合作學(xué)習(xí)的方式，提高學(xué)生實踐和知識遷移能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神.要求學(xué)生在實際情境中，能夠靈活應(yīng)用STEM知識[2].培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，把學(xué)生培養(yǎng)成為既具有跨學(xué)科知識，又有解決實際問題能力的新型人才.結(jié)合中學(xué)物理課外實驗活動的教學(xué)模式，以“自制簡易的水火箭, 分析水火箭工作原理和射程”為例,對STEM教學(xué)理念下的中學(xué)物理課外實驗活動的教學(xué)做出說明.

2 STEM教育與自制水火箭課外活動相結(jié)合的教學(xué)流程

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生通過實驗可以直觀明了地發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的興趣.水火箭的制作與發(fā)射是中學(xué)生較為感興趣的，可以利用此實驗探究牛頓第三運(yùn)動定律、功能關(guān)系、反沖運(yùn)動等物理知識，同時，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理實驗方法中的控制變量法、實驗探究法等.在教學(xué)中引入中學(xué)化學(xué)中的催化劑知識，分析催化劑對水火箭射程的影響，學(xué)生在探究催化劑對水火箭射程影響的過程中，一方面驗證了牛頓第三運(yùn)動定律，解釋了動能勢能相互轉(zhuǎn)換，理解了反沖運(yùn)動，另一方面學(xué)習(xí)了催化劑的相關(guān)知識，把化學(xué)中的知識運(yùn)用到了實際生活中.對于傳統(tǒng)的水火箭制作和發(fā)射，學(xué)生也是熱情不減，中學(xué)生正處在青春期，對于一切新奇事物都懷有好奇之心，通過動手操作的實驗，學(xué)生能學(xué)到更多的東西，記憶也將更深刻.

在知識點(diǎn)方面，高一的同學(xué)已經(jīng)學(xué)過牛頓第三運(yùn)動定律，知道作用力與反作用力，對于物理知識的建構(gòu)有一定的認(rèn)識，高一的課堂上教師也已經(jīng)講過催化劑和密度的相關(guān)知識，同時，學(xué)生在初中就了解到控制變量法，為自制簡易水火箭, 分析水火箭工作原理和射程實驗探究奠定了基礎(chǔ)[3].

但教學(xué)中也存在一些問題,學(xué)生平時所學(xué)的牛頓第三運(yùn)動定律、反沖運(yùn)動往往是抽象的，對于它們的認(rèn)知僅僅停留在書本上，對于化學(xué)中催化劑的認(rèn)知也僅僅停留在實驗室里的演示實驗，沒有在實際生活中感受到物理、化學(xué)的魅力.

教學(xué)流程按照創(chuàng)設(shè)情境、明確問題、制定方案、設(shè)計制作、實驗探究、分析交流6個階段進(jìn)行，教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程

3 STEM教育與自制水火箭課外活動的教學(xué)設(shè)計

3.1 教學(xué)目標(biāo)

3.1.1 知識與技能

(1)在實際生活中體會牛頓第三運(yùn)動定律，了解反沖運(yùn)動的原理，通過實驗探究，了解影響水火箭發(fā)射的因素.

(2)了解化學(xué)中的催化劑與催化機(jī)制，感受化學(xué)和物理學(xué)科之間的交融.

3.1.2 過程與方法

(1)體驗影響水火箭射程因素的實驗探究過程.

(2)形成對物理現(xiàn)象的觀察能力和對實驗數(shù)據(jù)的分析、歸納、概括、表達(dá)能力.

3.1.3 情感態(tài)度與價值觀

(1)通過讓學(xué)生都參與到實驗探究中，增強(qiáng)其合作性和凝聚力.

(2)通過實驗，感受科學(xué)家對實驗規(guī)律的研究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家對工作嚴(yán)肅認(rèn)真不怕困難的科學(xué)態(tài)度.

(3)學(xué)會欣賞物理學(xué)的簡潔美.

3.2 教學(xué)重難點(diǎn)

3.2.1 重點(diǎn)

(1)指導(dǎo)學(xué)生自己完成水火箭的制作.

(2)催化劑的反應(yīng)原理.

(3)對牛頓第三運(yùn)動定律的理解.

3.2.2 難點(diǎn)

牛頓第三運(yùn)動定律的實際應(yīng)用.

3.3 教學(xué)過程

3.3.1 課堂導(dǎo)入

教師活動：(1)在課堂上播放中國成功發(fā)射載人航空火箭的視頻，接著播放水火箭的發(fā)射視頻.

(2)設(shè)置疑問：為什么水火箭可以飛上天空？

學(xué)生活動：(1)觀看火箭發(fā)射視頻，感受國家科技力量的進(jìn)步.(2)學(xué)生產(chǎn)生疑問.

設(shè)計意圖：(1)讓學(xué)生觀看現(xiàn)象，產(chǎn)生探究欲望，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.(2)讓學(xué)生帶著疑問進(jìn)入課題，啟發(fā)學(xué)生能夠獨(dú)立思考.

3.3.2 實驗講授

教師活動：給學(xué)生講解化學(xué)的催化原理.二氧化錳或者碘化鉀可以作為過氧化氫的催化劑，讓過氧化氫的分解速度加快，產(chǎn)生大量的氣體，催化反應(yīng)方程式見下式.

KI+H2O2→KIO+H2O

學(xué)生活動：(1)學(xué)生在教師引導(dǎo)下對學(xué)過的知識點(diǎn)進(jìn)行回憶.并回答“牛頓第三定律”是指：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.

(2)學(xué)生經(jīng)過教師的引導(dǎo)，討論得出：水火箭升空是因為受到水和氣體的作用力.

設(shè)計意圖：(1)對舊知識的復(fù)習(xí)，有利于新知識的學(xué)習(xí)，新舊知識的聯(lián)系有利于學(xué)科結(jié)構(gòu)的建立.

(2)通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，通過教師的講授，學(xué)生可以更清楚地理解實驗原理.

3.3.3 課外實驗活動過程

教師活動：標(biāo)準(zhǔn)型的水火箭系統(tǒng)包括箭頭、箭體、噴嘴和尾翼幾部分.水火箭還需要發(fā)射架，其目的是安全發(fā)射、可控發(fā)射、精準(zhǔn)發(fā)射.標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射架系統(tǒng)包括剎車線、剎車把、氣管、支架、打氣筒、壓力表.

(1)水火箭箭體的制作

1)收集生活中的常見材料：準(zhǔn)備好兩個1.2 L的空可樂瓶子，用清水洗干凈，把外標(biāo)簽撕掉；準(zhǔn)備一塊1 m×1 m的輕木板(巴爾沙木)；準(zhǔn)備好螺紋噴嘴(安全起見，最好買一次性成型的)；準(zhǔn)備雙面膠若干；準(zhǔn)備熱熔膠槍一把，膠條若干，美工刀一把，記號筆一只，鉛筆一支，直尺一把.

3)導(dǎo)流罩做好以后，用雙面膠粘在第二個瓶子底部的周圍，再把切好的導(dǎo)流罩套在粘好雙面膠的底部，用力壓緊即可[4].

4)制作導(dǎo)流板.用鉛筆在巴爾沙木板上畫出4個規(guī)格一樣的梯形(底為15 cm，高為6 cm，兩斜邊分別為20 cm和3 cm)，接著利用美工刀沿著鉛筆線條把導(dǎo)流板切下，利用熱熔膠槍把導(dǎo)流板粘在火箭箭體離噴嘴3 cm處.

5)將螺紋噴嘴擰緊在瓶口，制作好的水火箭如圖2所示.

圖2 自制的水火箭

(2)教師先給學(xué)生準(zhǔn)備一定量的碘化鉀(分析純)、二氧化錳(分析純)、過氧化氫若干；可以剛好塞進(jìn)可樂瓶口的小塑料杯4只.

(3)指導(dǎo)學(xué)生完成實驗

學(xué)生活動：學(xué)生根據(jù)教師的指導(dǎo)進(jìn)行實驗，操作如下.

1)分別準(zhǔn)備400 mL不同密度的食鹽水.把準(zhǔn)備好的密度為0.8的食鹽水加入1.2 L的可樂瓶中，然后將可樂瓶安裝在發(fā)射架子上，利用打氣筒向瓶內(nèi)打入4.0個大氣壓的氣體，然后發(fā)射.在此條件下依次對密度為1.0,1.2,1.4,1.6的食鹽水進(jìn)行發(fā)射實驗[5].

2)先把催化劑放入小塑料杯中，接著把過氧化氫溶液加入箭體內(nèi)，然后把小塑料杯倒著放進(jìn)去，擰緊噴嘴，最后開始向瓶內(nèi)加壓，加壓時小塑料杯被推到瓶內(nèi)溶液中，發(fā)生催化反應(yīng)，打開手剎，發(fā)射火箭[6].

3)改變催化劑種類，不改變過氧化氫濃度，重復(fù)上述發(fā)射操作；不改變催化劑，改變過氧化氫濃度，重復(fù)上述發(fā)射操作.

4)用皮尺記錄每一次發(fā)射的距離.

設(shè)計意圖：①通過實驗來驗證物理猜想，通過物理知識來解釋物理現(xiàn)象,分析影響射程的因素.

②液體密度對水火箭的影響.增大液體的密度可以增加水火箭的反沖作用力，即水火箭的水平射程隨液體的密度增大而增大.

③催化劑對水火箭的影響.當(dāng)?shù)饣浕蛘叨趸i的物質(zhì)的量一定時，水火箭的水平射程隨著過氧化氫的濃度增加而增加；當(dāng)過氧化氫的濃度一定時，隨著催化劑的劑量增加，水火箭發(fā)射的水平距離也在增加；同時還可以從測量發(fā)射的距離中看出碘化鉀的催化效果明顯高于二氧化錳，更適合作水火箭發(fā)射的催化劑.

3.3.4 分享總結(jié)

教師活動：(1)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗總結(jié)和結(jié)果交流.

(2)對學(xué)生的總結(jié)做出點(diǎn)評，教師應(yīng)充分肯定學(xué)生的總結(jié)，并對出現(xiàn)的問題進(jìn)行討論、糾正.最后做出總結(jié)：在同等條件下，加入催化劑，水平射程增加較為明顯；碘化鉀的催化效果明顯高于二氧化錳，更適合作水火箭發(fā)射的催化劑[7].

學(xué)生活動：針對實驗過程中存在的問題，學(xué)生以小組的形式展開討論,一部分學(xué)生回答，一部分學(xué)生補(bǔ)充，形成小組間的結(jié)論.

設(shè)計意圖：通過分享交流，增強(qiáng)學(xué)生協(xié)作的能力，同時鞏固了知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

4 小結(jié)

對于地處邊疆少數(shù)民族地區(qū)的學(xué)生來說，面臨教學(xué)資源匱乏、教師技能不嫻熟、教學(xué)理念相對滯后的問題，把STEM教學(xué)理念應(yīng)用到物理教育中，有著積極的意義.讓他們體驗到物理學(xué)習(xí)的樂趣，實驗探究的激情和團(tuán)隊協(xié)作的快樂，通過類似的探究活動，可以讓學(xué)生更好地去關(guān)注生活，發(fā)現(xiàn)生活中的物理、化學(xué)現(xiàn)象.從學(xué)生的情感上、態(tài)度上改變其價值觀，讓他們對學(xué)習(xí)更有興趣，更加熱情地投入到學(xué)習(xí)中[8].

我們在云南邊疆民族中學(xué)的物理教育實習(xí)中, 將STEM教育理念融于自制水火箭課外活動中, 由于自制水火箭成本低廉，學(xué)生興趣高，可實施性較強(qiáng)，同時，讓物理和化學(xué)課程得到了較好的融合，提高了學(xué)生的動手能力，從真正意義上將STEM教學(xué)運(yùn)用在課堂中,很大程度上提高了物理教學(xué)趣味性，培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)知發(fā)展和對物理概念的理解.教學(xué)實踐表明,成效顯著,作為學(xué)生課外活動的探究，有一定的意義.