基于STEAM理念的高職物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“電磁感應(yīng)”為例

李 茹 馬麗娟

(南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 南京 210019)

1 引言

職業(yè)教育的重要任務(wù)是努力提高學(xué)生的綜合素養(yǎng),培養(yǎng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的創(chuàng)新型技能人才,服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。新一輪的教育改革也提倡職業(yè)學(xué)校教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極主動(dòng)、富有個(gè)性的學(xué)習(xí),鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)質(zhì)疑、調(diào)查和探究,在實(shí)踐中學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。職業(yè)教育作為我國(guó)教育的重要組成部分,應(yīng)在教育教學(xué)方式上進(jìn)行改革,適應(yīng)新時(shí)代對(duì)人才提出的要求。

2 STEAM教育簡(jiǎn)介

STEAM教育興起于國(guó)外,是指綜合科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Arts)、數(shù)學(xué)(Mathematics)的教育,目的是培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)深入研究,證明STEAM教育更有利于培養(yǎng)全面發(fā)展的創(chuàng)新人才。

在高職物理課堂中開(kāi)展基于STEAM理念的教學(xué)改革,對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才具有必要性。教師可以利用物理課程，把電氣工程、土木工程等工程技術(shù)學(xué)科、文學(xué)藝術(shù)學(xué)科及數(shù)學(xué)學(xué)科等的知識(shí)進(jìn)行整合,形成融科學(xué)、工程技術(shù)、文學(xué)藝術(shù)、數(shù)學(xué)于一體的STEAM課堂模式,改變傳統(tǒng)物理課堂單一的知識(shí)講授模式?；赟TEAM教育理念的物理課程可以充分利用工程學(xué)科鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐,利用數(shù)學(xué)發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力,利用文學(xué)藝術(shù)激發(fā)學(xué)生的想象力,三者共同作用形成合力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和利用工程技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,幫助學(xué)生形成專(zhuān)業(yè)核心素養(yǎng)和綜合素養(yǎng),為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3 基于STEAM理念的五年制高職物理教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)STEAM的教育理念,五年制高職物理課程可以選擇當(dāng)前的科技熱點(diǎn)或者具有一定難度的問(wèn)題,設(shè)計(jì)出適合高職學(xué)生的學(xué)習(xí)項(xiàng)目,將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)進(jìn)行有機(jī)融合,以解決問(wèn)題為導(dǎo)向,讓學(xué)生在探究與實(shí)踐過(guò)程中學(xué)習(xí)。筆者以“電磁感應(yīng)”教學(xué)為例,在高職物理課程中融入STEAM理念進(jìn)行實(shí)踐研究,既關(guān)注學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的掌握,又通過(guò)跨學(xué)科知識(shí)的整合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

3.1 教學(xué)內(nèi)容及學(xué)情分析

學(xué)生學(xué)習(xí)了“電磁感應(yīng)”一章的內(nèi)容之后,已經(jīng)掌握了電磁學(xué)的基本知識(shí),此時(shí)設(shè)計(jì)STEAM學(xué)習(xí)項(xiàng)目比較合適,一方面可以檢驗(yàn)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的效果,另一方面,學(xué)生在探究的過(guò)程中可以充分應(yīng)用工程技術(shù)、藝術(shù)和數(shù)學(xué)方面的知識(shí),實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。

無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)是近年來(lái)廣泛采用的一種充電方式,是當(dāng)前的熱點(diǎn)技術(shù),無(wú)線(xiàn)充電手機(jī)的出現(xiàn)和普及,使得學(xué)生對(duì)無(wú)線(xiàn)充電方式并不陌生，對(duì)這個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目具有較強(qiáng)的積極性和主動(dòng)性。在開(kāi)展STEAM學(xué)習(xí)項(xiàng)目之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí),在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中掌握了連接電路、使用萬(wàn)用表等實(shí)驗(yàn)技能，在數(shù)學(xué)課上也學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)。

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

物理學(xué)科本身與技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)有較強(qiáng)的互通性和相關(guān)性,在高職物理課程中融入STEAM教育,可以設(shè)計(jì)探究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目,通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)的方式將項(xiàng)目分解為多個(gè)小問(wèn)題,每個(gè)小問(wèn)題的解決都需要掌握物理原理,并運(yùn)用工程技術(shù)、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等相關(guān)知識(shí),不斷找出解決問(wèn)題的合理方案,在探究中推進(jìn)STEAM教育的順利進(jìn)行。筆者設(shè)計(jì)了“探究無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)”的STEAM學(xué)習(xí)項(xiàng)目,安排在“電磁感應(yīng)”一章的教學(xué)中。

3.2.1 探究物理原理

物理學(xué)探究自然界中各種現(xiàn)象,從而得到科學(xué)性、規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。學(xué)生對(duì)于生活中的無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備,充滿(mǎn)了好奇，探究欲望強(qiáng)烈。在“探究無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)”的STEAM學(xué)習(xí)項(xiàng)目中,第一部分的問(wèn)題就是讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的“電磁感應(yīng)”知識(shí)，探索無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)中蘊(yùn)含的物理原理。

問(wèn)題1:你在生活中了解到有哪些設(shè)備使用了無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)?

問(wèn)題2:這些無(wú)線(xiàn)充電的產(chǎn)品和充電器有怎樣的外形?你從它的外觀(guān)能猜測(cè)出它里面可能有什么裝置嗎?

問(wèn)題3:根據(jù)我們學(xué)過(guò)的知識(shí),要想產(chǎn)生感應(yīng)電流,需要什么條件?

問(wèn)題4:互感現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的?

問(wèn)題5:變壓器的工作原理是什么?

STEAM教育強(qiáng)調(diào)知識(shí)與生活的聯(lián)系,在實(shí)際的情境中對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。這一系列問(wèn)題會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究的熱情,引導(dǎo)學(xué)生探索無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的物理原理。

3.2.2 結(jié)合工程技術(shù)

工程技術(shù)是指人們將科學(xué)知識(shí)或技術(shù)發(fā)展的研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)、改造自然的手段和方法,無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)是電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用。在“探究無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)”項(xiàng)目中,第二部分的任務(wù)是讓學(xué)生搭建電路,完成探究性實(shí)驗(yàn),并鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線(xiàn)充電的作品。這一部分的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生以小組合作方式進(jìn)行,在項(xiàng)目研究中注重師生互動(dòng)和生生互動(dòng)。

本項(xiàng)目需要的主要實(shí)驗(yàn)儀器有:可調(diào)交流電源、制作變壓器的鐵芯、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、小燈泡、萬(wàn)用電表、導(dǎo)線(xiàn)等。

問(wèn)題6:根據(jù)變壓器的工作原理,畫(huà)出變壓器工作的電路圖。

問(wèn)題7:影響變壓器的輸出電壓的因素有哪些?設(shè)計(jì)電路,驗(yàn)證自己的猜想。

問(wèn)題8:變壓器可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,給了你怎樣的啟發(fā)?線(xiàn)圈在實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電功能時(shí)存在哪些問(wèn)題?如果去掉鐵芯,副線(xiàn)圈中的輸出電壓會(huì)發(fā)生怎樣的變化?改變副線(xiàn)圈與原線(xiàn)圈的距離、角度等,探究副線(xiàn)圈輸出電壓的變化。

問(wèn)題9:生活中的電磁爐給了你怎樣的啟發(fā)?據(jù)此改進(jìn)線(xiàn)圈,設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電功能的電路,并探究影響充電效率的因素。

STEAM教育提倡跨學(xué)科的融合,鼓勵(lì)學(xué)生將掌握的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,讓學(xué)生在動(dòng)手動(dòng)腦中培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。通過(guò)系列問(wèn)題將物理與工程技術(shù)學(xué)科相融合,引導(dǎo)學(xué)生思考并完成一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作。學(xué)生在探究和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,不斷發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題,初步完成無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品的制作。

3.2.3 領(lǐng)略藝術(shù)魅力

科學(xué)和藝術(shù)是人類(lèi)文明的兩大基石,都是人類(lèi)創(chuàng)造力和想象力的結(jié)晶,而且兩者本身也是相通的,就像硬幣的兩個(gè)面,在呈現(xiàn)方式上各有千秋。比如,科幻小說(shuō)是一種文學(xué)藝術(shù)形式,很多科技在實(shí)現(xiàn)之前都曾出現(xiàn)在科幻小說(shuō)之中。再比如,自然界中存在著大量對(duì)稱(chēng)之美，這種美不僅在實(shí)際的物體中有所體現(xiàn),在科學(xué)規(guī)律中也隨處可見(jiàn)。奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)之后,很多科學(xué)家由此受到啟發(fā),猜想：既然電能生磁,那么磁是否也能生電呢?于是就有了法拉第電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)?！疤骄繜o(wú)線(xiàn)充電技術(shù)”項(xiàng)目的第三部分就是啟發(fā)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行藝術(shù)加工。

問(wèn)題10:根據(jù)產(chǎn)品美學(xué),分析目前市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品的外觀(guān),并嘗試進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品的外觀(guān)設(shè)計(jì),畫(huà)出設(shè)計(jì)圖。

問(wèn)題11:針對(duì)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展前景,暢想未來(lái)世界中無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)哪些高科技產(chǎn)品,寫(xiě)一篇科幻小說(shuō)。

STEAM教育注重多角度、多維度、多學(xué)科的綜合教育,鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自然界和生活中的美,重視發(fā)展學(xué)生的想象力

和創(chuàng)造力,人文藝術(shù)在STEAM教育中具有不可或缺的重要作用。讓學(xué)生欣賞和設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品外觀(guān)，并暢想未來(lái)世界,將科學(xué)、工程技術(shù)和人文藝術(shù)相融合,可提高學(xué)生的藝術(shù)修養(yǎng)和人文素養(yǎng)。

3.2.4 運(yùn)用數(shù)學(xué)表達(dá)

數(shù)學(xué)是研究科學(xué)的重要工具,用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)的物理原理是非常簡(jiǎn)潔和優(yōu)美的?！疤骄繜o(wú)線(xiàn)充電技術(shù)”項(xiàng)目的第四部分是通過(guò)介紹麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,讓學(xué)生體驗(yàn)數(shù)學(xué)在科學(xué)研究中的重要作用。

問(wèn)題12:法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,他給出的數(shù)學(xué)表達(dá)式是什么?

問(wèn)題13:麥克斯韋在法拉第電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上做了怎樣的假設(shè),進(jìn)一步完善了電磁場(chǎng)理論?

教師向?qū)W生介紹麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,并給出麥克斯韋方程組,讓學(xué)生感受數(shù)學(xué)思想和方法之美。

學(xué)生在物理原理探究、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作中都需要運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯推理,對(duì)電磁場(chǎng)理論的深入認(rèn)識(shí)也離不開(kāi)數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用。在STEAM教育中實(shí)現(xiàn)各學(xué)科與數(shù)學(xué)的融合,除了可提高學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)的能力,更關(guān)鍵的是提高了學(xué)生的邏輯推理能力,使學(xué)生的思維嚴(yán)謹(jǐn)、具有邏輯性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,高職學(xué)校的教育還存在一些問(wèn)題,例如高職學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,學(xué)習(xí)興趣不高;職業(yè)學(xué)校的教學(xué)模式以傳統(tǒng)的教師講授為主,學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位不明顯;物理的課程目標(biāo)側(cè)重知識(shí)和技能,難以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。這些問(wèn)題已嚴(yán)重制約了職業(yè)學(xué)校高素質(zhì)技能型人才的培養(yǎng),很難滿(mǎn)足新時(shí)代對(duì)高職人才的培養(yǎng)要求。因此,高職物理亟需在教學(xué)設(shè)計(jì)上做出創(chuàng)新,以滿(mǎn)足時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的需要?；赟TEAM教育理念,將物理與工程技術(shù)、人文藝術(shù)、數(shù)學(xué)相融合,設(shè)計(jì)一系列STEAM學(xué)習(xí)項(xiàng)目,可實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的綜合教育,希望可以探索出高職物理課程改革的新路。