基于STEAM教育理念的高中物理活動課程的設(shè)計

楊俊亞 鄭衛(wèi)峰

摘?要：自STEAM教育為提高人才的創(chuàng)新能力以及競爭力被提出，就得到了社會各界人士的極大關(guān)注，作為STEAM教育的重要主流教育模式的機器人教育、編程教育、3D打印教育進入中小學(xué)為中小學(xué)教育帶來新的活力.從物理學(xué)科出發(fā)利用教育機器人圍繞高中物理實驗，設(shè)計一個適合普通高中開展的活動課程.

關(guān)鍵詞：STEAM教育;教育機器人;物理;活動課程

文章編號：1008-4134（2020）05-0031中圖分類號：G633.7文獻標(biāo)識碼：B

作者簡介：楊俊亞（1994-），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué);

鄭衛(wèi)峰（1974-），女，福建仙游人，碩士，教授，研究方向：物理實驗教學(xué).

1?引言

STEAM教育前身是誕生于20世紀(jì)90年代美國的STEM教育，在?Science?（科學(xué)）、Technology?（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學(xué)）這幾門學(xué)科的基礎(chǔ)上增加了Art（藝術(shù)）成為STEAM教育，簡單地從概念上講，它是有目的地整合各學(xué)科的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法的教育理念[1].這對于培養(yǎng)具有解決實際能力的人才有比較大的幫助，因此這一教育理念在概念起初被提出時，美國、芬蘭等相對發(fā)達的國家比較重視從而形成比較科學(xué)的課程體系.近幾年，隨著黨的十九大報告、《教育信息化“十三五”規(guī)劃》等國家層面對于STEAM教育的號召，這個理念也開始被教育者們?nèi)谌雽嶋H教學(xué)，在教育部門的號召下，學(xué)校、教師、社會教育機構(gòu)等都開始開發(fā)相應(yīng)的課程[2].

本文從教師角度利用越疆科技教育機器人（具有3D打印、激光雕刻、圖形化編程等功能）（如圖1所示）與中學(xué)物理學(xué)科相結(jié)合設(shè)計適用于中學(xué)的STEAM教育課程.根據(jù)STEAM教育特點，以及物理實驗對學(xué)生的要求在教學(xué)設(shè)計過程中強調(diào)學(xué)生小組合作以及培養(yǎng)學(xué)生遇到問題自主設(shè)計和探究的能力.教學(xué)設(shè)計共分為以下五個部分：第一，情景導(dǎo)入是通過“搬巨石”這一生活中的問題引導(dǎo)學(xué)生展開分力的方向和大小對于合力的影響的活動探究;第二，基礎(chǔ)知識講解是教師通過讓學(xué)生解決問題串的方式掌握機器人基礎(chǔ)知識基本功能的使用;第三，學(xué)生分組探究是教師組織學(xué)生分組設(shè)計和打印活動探究的模型;第四，高階活動探究是教師鼓勵引導(dǎo)學(xué)生在原有設(shè)計模型上對設(shè)計作品改進;第五，作品展示與評價是在學(xué)生相互分享本組的設(shè)計作品和過程之后，教師進行作品評價[3]，課程設(shè)計流程如圖2所示.

2?基于STEAM教育3D打印的力的合成演示儀實驗的教學(xué)設(shè)計

2.1?情景引入

課時一：從工程建筑到機械臂建造房子.

視頻播放現(xiàn)代化大型建筑建造過程和效果展示的延時攝影作品（現(xiàn)實生活中或者是建造類游戲），讓學(xué)生感受在建筑工程中層層堆疊，再利用鼠標(biāo)控制（或圖形化編程控制）完成一堆規(guī)則擺放的積木搭建成房子的活動，從而引入本次活動用的教育機器人，簡單介紹機械臂的構(gòu)造，根據(jù)以下問題引導(dǎo)學(xué)生完成從機械臂到3D打印機的建構(gòu)：根據(jù)機械臂可以完成指定的移動和抓放的功能思考，機械臂是否可以建造更精美牢固的房子呢？什么原因造成的？怎樣選擇材料，是否可以考慮類似建筑工程中的水泥這種初時可以任意改變形狀的液態(tài)之后變成固態(tài)的材料？材料在使用過程涉及到哪些物態(tài)變化？那么，生活中有哪些類似的材料？金屬、塑料融化和凝固過程中需要什么溫度條件呢？哪一個更加容易達到呢？完成塑料的融化這一物態(tài)變化需要具有什么功能的裝置？思考如何設(shè)計這個加熱裝置（學(xué)生的思維較發(fā)散時跳過上面的問題，直接根據(jù)上面展示引導(dǎo)學(xué)生對教育機器人功能進行大膽猜想）.展示機械臂的3D打印套件驗證學(xué)生的構(gòu)建，再展示3D打印的成品.提問將3D打印套件換成可發(fā)出強度受控的激光套件后，可以完成怎樣的功能？

之后教師將套件換成激光雕刻套件雕刻出一個建筑的平面圖.總結(jié)機械臂功能并要求學(xué)生課后討論：機械臂可以完成怎樣與物理有關(guān)的活動[4]？

課時二：如何搬動巨石？

總結(jié)學(xué)生討論結(jié)果（打印教具、分析運動狀態(tài)等）.準(zhǔn)備一端系有兩根繩子的質(zhì)量較大的物體模仿建筑材料大青磚，將學(xué)生分為組，要求每組委派兩人通過拉繩子去移動巨石，并且改變所拉繩子之間角度探究所需要拉力的大小與角度之間的關(guān)系，根據(jù)學(xué)生探究出的兩個繩子之間的角度越大所需要拉動石頭的力越大這一結(jié)論分析這個過程的力學(xué)原理，即當(dāng)合力不變時，兩分力夾角越大，分力越大，遵守共點力合成的平行四邊形定則，提問學(xué)生是否可以利用機械臂來解釋和說明這一原理，提示學(xué)生參考課本（2019年7月魯科版必修第一冊）第94頁的平行四邊形模型（如圖3）.

本節(jié)作業(yè)：分組討論如何在此模型基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計出力的合成演示儀來解釋拉石頭時分力角度與大小的關(guān)系這一問題.

2.2?基礎(chǔ)知識的講解

教學(xué)設(shè)計：先介紹利用簡單模型的3D打印過程介紹3D打印流程：設(shè)計建模、切片處理、逐層打印.教師先利用3D?one（3D?one為一款設(shè)計軟件）展示設(shè)計物理實驗小車的3D模型的過程，要求學(xué)生先將小車整體劃分為車輪以及車體兩部分，然后測量小車車體的長、寬、高以及車輪的寬度、直徑等長度量，然后教師按照學(xué)生測出的數(shù)據(jù)利用3Done中的二維矩形通過拉伸以及抽殼完成一個小車車體，然后利用二維的圓形的拉伸抽殼完成小車車輪的三維草圖，這個環(huán)節(jié)體驗到一個已有的物體3D模型制作的流程，同時也鍛煉了實物轉(zhuǎn)換為三維立體的3D模型的能力.教師演示完畢布置學(xué)生利用二維圖形拉伸成三維圖形然后抽殼等3Done中的基礎(chǔ)功能完成常見物體的3D模型的仿制，或者完成一定大小的矩形長方形，空心的圓柱等來熟練3D設(shè)計軟件的應(yīng)用.

課后教師將整理好的3D打印部分的學(xué)生使用手冊分組發(fā)放（包括：3D打印套件的組成、3D打印套件的安裝步驟、機械臂3D打印軟件設(shè)置、打印前準(zhǔn)備、測試擠出機?、調(diào)整打印間距、獲取打印坐標(biāo)），要求學(xué)生組內(nèi)共同閱讀后完成自主設(shè)計的簡單模型的3D打印.

2.3?學(xué)生分組探究

教師組織學(xué)生根據(jù)第一階段設(shè)計出現(xiàn)的連接問題以及如何改變夾角問題進行討論，并統(tǒng)一利用螺絲和螺母固定來解決.分析各組設(shè)計的力的合成演示儀模型，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)框架進行分解成分力桿1、2（各2個），合力桿1、2、3（各1個），以及將各桿連接在一起的滑桿扣（1個），并在軟件中完成各部分的設(shè)計（如圖4所示），圖中依次為滑桿扣、分力桿1、2，合力桿1、2、3.

要求各組內(nèi)完成3D模型的打印任務(wù)后在實驗室中選擇合適的螺絲和螺母完成各部分之間的組裝.

2.4?高階活動探究

組織各組展示初步完成的可以分析大小相等、夾角不定的二力合成的作品，提出作品能夠演示可改變大小的力的合成或者三個力的關(guān)系還可以進行定量分析的要求，可以引導(dǎo)學(xué)生改進3D模型增加原有3D模型的模擬力的桿上面位置不同的孔，來模擬改變力的大?。ㄈ鐖D5所示）.

參考新教材中力的合成這一章節(jié)中“物理聊吧”模塊對于平行四邊形模型進行討論，要求每組學(xué)生利用模型解釋以下兩個問題：

（1）合力的大小和方向怎樣隨兩個分力之間的夾角改變而改變？

（2）合力是否總是大于分力？（引導(dǎo)學(xué)生比較圖5中的三種情況下合力與分力的大小）大小相等的兩個力在合成時有什么特點？如圖6，將代表合力的桿放置于標(biāo)記好的線上面，可以發(fā)現(xiàn)兩分力桿與合力桿的夾角大小相等.可以說明：夾角越大，合力越小，并且合力始終在分力的角平分線上.

（3）同時鼓勵學(xué)生組內(nèi)討論改進方案，更有利于提升學(xué)生解決問題的能力，使整個活動更加豐富，例如鼓勵學(xué)生利用教育機器人的激光雕刻功能對已有教具雕刻出刻度.

2.5?作品展示與評價

分組匯報成果，并進行學(xué)生間的互評以及教師對于活動成品的評價.

教學(xué)設(shè)計：組織學(xué)生分別作為匯報組和評價組，匯報組對自己本組完成的成品以及完成的過程進行匯報，包括成品的特點優(yōu)勢等，評價組同學(xué)對匯報組的成品進行評價，共同探討制作過程中遇到的問題以及解決問題的方法.教師針對學(xué)生的匯報以及成品進行完成度、制作過程以及匯報中表現(xiàn)等方面評價，評價從作品的美觀程度討論3D打印技術(shù)在個性化定制中的優(yōu)勢，共同探討各組作品在大規(guī)模制造工程中可能會遇到的問題等.

3?結(jié)束語

以上課程設(shè)計是將STEAM教育理念與高中的物理實驗相結(jié)合，同時涉及到機器人教育、3D打印以及激光雕刻技術(shù)等，圍繞一個情景和主題，學(xué)生通過探究獲得技能并且完成了與物理實驗相關(guān)的活動，對于學(xué)生本身核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的建立以及實驗探究能力的培養(yǎng)都有促進作用，與物理學(xué)科相結(jié)合對于物理本學(xué)科的鞏固與加強也能起到非常重要的作用.此外，對于學(xué)校和教師來講，引進一些此方面有時代特色、有助于課程融合的STEAM教育的課程作為體現(xiàn)特色的精品校本課程，可以成為建立一個良好的、創(chuàng)新型的高中辦學(xué)的重要路徑;這類融合的STEAM教育課程在中學(xué)由某一現(xiàn)有學(xué)科的教師開展的過程中，教師必定要面對的問題就是專業(yè)知識的問題，勢必促進教師自身業(yè)務(wù)水平的提高和專業(yè)的發(fā)展，?在培養(yǎng)學(xué)生的同時，?教師自己也學(xué)到了很多，?真正實現(xiàn)教學(xué)相長.同時，將STEAM教育靈活地與學(xué)科教學(xué)相結(jié)合也能為新時代的科技教育注入新的活力，對于STEAM教育在國內(nèi)的進一步發(fā)展和普及也會有很重要的借鑒作用.

參考文獻：

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[2]潘裕民.怎樣的高中才算是一所好高中?探尋上海一流高中建設(shè)的創(chuàng)新發(fā)展之路[J].上海教育，2018（36）：?64-65.

[3]董澤華.如何建設(shè)一所成功的STEM高中？美國STEM高中的類型與建設(shè)框架述評[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018，28（07）：?120-126.

[4]張成.基于STEAM的高中3D打印校本課程設(shè)計與教學(xué)實踐研究[J].新課程研究，2018（09）：?33-35.

（收稿日期：2019-09-23）