STEM理念在高中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

文/廣州市協(xié)和中學(xué)

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)的簡稱，STEM教育在美國已有較為成熟的理論研究成果和實(shí)踐模式，而在我國正處于起步階段。STEM理念的核心是通過跨學(xué)科知識(shí)和方法的整合解決真實(shí)情境的問題，STEM理念不是簡單的四門學(xué)科交錯(cuò)一起，而是一種系統(tǒng)性的整合。探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)是讓學(xué)生面對未知的世界和遇到的困難，經(jīng)歷科學(xué)探究發(fā)現(xiàn)的過程，在猜想、假設(shè)、自主探究過程中構(gòu)建知識(shí)和培養(yǎng)能力。本文以高中物理“探究汽車轉(zhuǎn)彎”教學(xué)為例，按以下四個(gè)步驟探討STEM教育與物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合。

一、真實(shí)情境引入，提出探究目的

STEM教育研究項(xiàng)目來自于真實(shí)世界的具體問題。在“探究汽車轉(zhuǎn)彎”課堂上，教師可先展示關(guān)于大貨車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生側(cè)翻的事故視頻或照片，提醒學(xué)生仔細(xì)觀察彎道方向和車輛的側(cè)翻方向，并提出疑問：貨車為什么會(huì)側(cè)翻？有什么辦法可以避免貨車側(cè)翻？

關(guān)于汽車側(cè)翻交通事故，學(xué)生通過報(bào)紙、電視新聞等渠道應(yīng)有所聞，但學(xué)生未必有留意對彎道及側(cè)翻的方向進(jìn)行對比觀察。真實(shí)的情境，可以給學(xué)生視覺的沖擊，使學(xué)生產(chǎn)生解答疑問的好奇心，激發(fā)探究動(dòng)機(jī)。

二、科學(xué)知識(shí)剖析，明確探究方向

物理學(xué)科知識(shí)是實(shí)施STEM教育的重要載體，學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用是STEM教育的目標(biāo)之一。學(xué)生首先應(yīng)能透過現(xiàn)象理解其中蘊(yùn)含的物理知識(shí)和原理，建立物理模型，即首先解決所面臨的情境“是什么”和“為什么”的問題。通過教師的啟發(fā)，學(xué)生不難說出，汽車轉(zhuǎn)彎其實(shí)是看做圓周運(yùn)動(dòng)的一部分，由此所涉及到的物理學(xué)科知識(shí)有圓周運(yùn)動(dòng)、線速度、向心力、離心現(xiàn)象等。

三、模擬實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用

受現(xiàn)實(shí)條件限制，我們不可能到貨車側(cè)翻現(xiàn)場進(jìn)行勘察和測量，但可在課堂上采用探究性實(shí)驗(yàn)，模擬真實(shí)情境再現(xiàn)，模擬采取技術(shù)和工程設(shè)計(jì)方法解決遇到的問題，此環(huán)節(jié)主要是解決實(shí)踐中“做什么”和“怎么做”的問題。為了讓學(xué)生能逐步深入地探究未知問題，可設(shè)計(jì)以下環(huán)節(jié)。

1.制作模型

用適當(dāng)厚度的硬紙皮做一傾斜凹型軌道(長度稍長，方便操作)，另一張硬紙皮放在水平桌面上，將其中一邊剪成圓弧形，如圖1所示。并沿著圓弧的邊緣畫兩條平行的曲線，兩條平行的曲線模擬公路的轉(zhuǎn)彎道。傾斜的凹型軌道底端與“轉(zhuǎn)彎道”的一端連接，另一端抬高一定的高度并用支架固定，將一小球從斜槽某一固定位置滑下，到達(dá)水平面時(shí)獲得一定的速度，用小球的滾動(dòng)模擬汽車的運(yùn)動(dòng)。

圖1

2.實(shí)驗(yàn)探究

探究活動(dòng)1：有什么方法可使小球沿著劃定的路徑轉(zhuǎn)彎？你能想到多少種方法？

設(shè)計(jì)方案：在彎道外側(cè)沿著邊緣擺放一排積木，使小球從斜槽適當(dāng)高度下滑，滑到水平彎道時(shí)，積木對小球的彈力提供轉(zhuǎn)彎所需的向心力，使小球沿設(shè)定的路徑轉(zhuǎn)彎。改變實(shí)驗(yàn)條件引起現(xiàn)象的變化，可引發(fā)學(xué)生思維沖突，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的探究熱情，也是科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的來源。接下來，將小球從斜槽的較高位置靜止釋放，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到彎道時(shí)，小球?qū)⒎e木推出到彎道外側(cè)。接著，教師啟發(fā)提問：“為什么會(huì)把小積木推出外側(cè)？”此分析使學(xué)生加深了對轉(zhuǎn)彎問題中向心力“需求量”與“供應(yīng)量”關(guān)系的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生對汽車側(cè)翻原因的直觀認(rèn)識(shí)。

探究活動(dòng)2：如撤去積木，失去積木的彈力，還有什么方法可使小球轉(zhuǎn)彎？

設(shè)計(jì)方案：沿著彎道的內(nèi)側(cè)曲線，將紙皮彎道外側(cè)向上折起，彎道外側(cè)底部塞入橡皮泥固定彎道的傾斜角度。此實(shí)驗(yàn)需兩位同學(xué)配合，甲同學(xué)負(fù)責(zé)將小球多次從斜槽上固定的起點(diǎn)下滑，乙同學(xué)負(fù)責(zé)觀察小球滑至轉(zhuǎn)彎道的運(yùn)動(dòng)情況，通過擠壓或填補(bǔ)橡皮泥的方法，多次調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎道的外側(cè)傾斜度，直至小球剛好能沿傾斜的軌道完成轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，用連拍相機(jī)可以拍攝到小球轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的過程中的連續(xù)位置照片。

以上實(shí)驗(yàn)在其他條件不變的情況下，將小球從斜槽的較高位置靜止釋放，滑到水平面時(shí)，速度變大了，小球向彎道外側(cè)方向偏離。可知，轉(zhuǎn)彎軌道的外側(cè)傾斜角度與小球運(yùn)動(dòng)速度須符合一定的對應(yīng)關(guān)系，小球才能沿軌道轉(zhuǎn)彎，具體關(guān)系如何，需要依靠物理原理結(jié)合數(shù)學(xué)工具進(jìn)行精確分析和計(jì)算。

四、數(shù)學(xué)工具輔助，精確工程設(shè)計(jì)

數(shù)學(xué)運(yùn)算能力是學(xué)生必備的基本能力，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對實(shí)際問題進(jìn)行分析計(jì)算正是STEM教育理念中強(qiáng)調(diào)的基本要求。回歸到真實(shí)情境中，分析汽車轉(zhuǎn)彎向心力的來源，如果轉(zhuǎn)彎路面是水平的，向心力主要來源于汽車輪胎側(cè)向摩擦力，側(cè)向摩擦力產(chǎn)生的條件是汽車必須有向外側(cè)滑動(dòng)的趨勢，顯然會(huì)對汽車行駛造成一定危險(xiǎn)。從模擬探究實(shí)驗(yàn)中，我們得出可以將轉(zhuǎn)彎路面的外側(cè)升高一定的高度，車輛行駛控制一定的速度，即可避免產(chǎn)生側(cè)向摩擦力，實(shí)現(xiàn)汽車的安全轉(zhuǎn)彎。

工程的設(shè)計(jì)，不是一次計(jì)算能夠解決的問題，而是需要經(jīng)歷反復(fù)的運(yùn)算論證，才能得出符合技術(shù)要求和實(shí)際應(yīng)用的工程方案。在課堂教學(xué)中，可更換已知條件和情境，可讓學(xué)生經(jīng)歷多種條件下的運(yùn)算，也可采用函數(shù)分析、圖像分析、計(jì)算軟件輔助等多種方法處理數(shù)據(jù)，體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性和復(fù)雜性。

以“探究汽車轉(zhuǎn)彎”為例，采取基于問題解決的學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生經(jīng)歷從真實(shí)情境提出問題，融合科學(xué)、技術(shù)、工程知識(shí)和數(shù)學(xué)運(yùn)算方法開展模擬實(shí)驗(yàn)的探究，設(shè)計(jì)出具體的解決方案。學(xué)習(xí)過程以物理知識(shí)為載體，以實(shí)驗(yàn)探究為主要途徑，實(shí)現(xiàn)了STEM教育與物理學(xué)科教學(xué)的有機(jī)整合。

STEM教育并非生搬硬套地將四個(gè)學(xué)科知識(shí)簡單疊加，也并非一定要分清四個(gè)學(xué)科的知識(shí)界線，強(qiáng)調(diào)的是跨學(xué)科知識(shí)的整合，注重的是科學(xué)與工程技術(shù)的相互促進(jìn)，目標(biāo)是培養(yǎng)解決真實(shí)世界復(fù)雜問題的綜合能力。