開發(fā)STEM教育的少數(shù)民族地區(qū)高中物理課程資源及教學(xué)設(shè)計

尕桑拉毛,張國恒,彭毛措

(西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

0 引言

2014年3月,《教育部關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》中提出核心素養(yǎng)是“學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”,是修訂課程標(biāo)準(zhǔn)和研制學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù).2018年,基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布,核心素養(yǎng)開始進(jìn)入課程,走進(jìn)中小學(xué)[1].在物理課程學(xué)習(xí)過程中,融入工程技術(shù)教育,突出物理知識的基礎(chǔ)性和實踐性,也是踐行核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求.目前藏區(qū)高中物理教學(xué)仍以課堂講授知識為主,強調(diào)學(xué)生理論知識的掌握及數(shù)學(xué)運算的解題能力.工程技術(shù)教育始終是物理教學(xué)的一個薄弱環(huán)節(jié),STEM教育為培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)教育提供了一個重要的途徑.

STEM教育是以科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)的學(xué)科整合教學(xué)為理念,將技術(shù)手段和工程設(shè)計在學(xué)科教學(xué)中的滲透來創(chuàng)設(shè)實踐教學(xué)以及培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題的能力.傅騫和劉鵬飛[2]將STEM教育應(yīng)用模式分為驗證、探究、制造和創(chuàng)造四大類；首新[3]等以基于文化—歷史活動理論構(gòu)建了項目式STEM學(xué)習(xí)活動模型,探索從知識到能力,從個體到小組的學(xué)習(xí)過程,提出STEM教育活動模型創(chuàng)建有助于發(fā)展高級STEM能力及快速提升低水平個體的STEM技能；王玥月和陸建隆[4]以STEM教育的學(xué)科整合對初中浮力進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計；范亞輝和張軍朋[5]提出STEM教育在物理教學(xué)中的應(yīng)用模式要經(jīng)歷情境引入、思維引導(dǎo)、制造改進(jìn)、分享反思四個階段；秦瑾若和傅鋼善[6]提出跨學(xué)科融合、循環(huán)迭代、過程體驗、問題解決為核心的STEM 教育設(shè)計型學(xué)習(xí)模式；尹慶豐[7]探討了STEM教育理念與高中物理教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式,發(fā)現(xiàn)STEM教育教學(xué)不僅加深了高中學(xué)生對物理知識的理解,更提高了靈活運用不同學(xué)科知識的能力.

在藏區(qū)高中物理教學(xué)中開發(fā)課程資源進(jìn)行以學(xué)生為主體的STEM教育對于踐行核心素養(yǎng)培養(yǎng)有重要意義.結(jié)合高中學(xué)生的認(rèn)知水平和心理接受程度等特點,從創(chuàng)設(shè)STEM學(xué)科整合的問題情境出發(fā),開發(fā)STEM教育的課程資源,制造模型及驗證定律三個方面對高中“彈力”和“力的合成與分解”的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計,實施STEM教學(xué)活動,培養(yǎng)學(xué)生的工程意識,實現(xiàn)其核心素養(yǎng)中“學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”中的工程能力和解決問題的能力，其教學(xué)過程設(shè)計如圖1所示.

圖1 STEM教育的物理教學(xué)過程設(shè)計

1 以彈弓設(shè)計“彈力”教學(xué)

“彈力”是人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理(必修1)》中第三章“相互作用”的第二節(jié)內(nèi)容,其內(nèi)容在初中教學(xué)中已涉及過,主要讓學(xué)生在STEM教育的教學(xué)過程中了解概念及規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生的工程技能及動手操作解決問題的能力,加強學(xué)生的STEM教育意識和學(xué)科整合教學(xué)的能力.

1.1 創(chuàng)設(shè)STEM學(xué)科整合的問題情境

在“重力”的教學(xué)中,學(xué)習(xí)了兩個沒有相互接觸的物體之間的相互作用.教師利用多媒體等教學(xué)設(shè)備將展示STEM教育的問題情境引學(xué)入課,學(xué)生從問題情境中探索與發(fā)現(xiàn)問題.

建筑工地上應(yīng)用的預(yù)制板的下方埋置鋼筋條,其中心設(shè)置了圓柱形空心,如圖2所示.教師以預(yù)制板的結(jié)構(gòu)創(chuàng)設(shè)問題激發(fā)學(xué)生的好奇心,讓學(xué)生從物理知識的角度探究問題、發(fā)現(xiàn)問題及分析思考問題.當(dāng)預(yù)制板放在墻壁上面時,鋼筋要埋置在預(yù)制板的下表面時,預(yù)制板在向下重力和壓力F的作用下發(fā)生了物體的拉伸或壓縮形變，下表面因為鋼筋處于拉伸狀態(tài),上表面處于壓縮狀態(tài),如圖3所示.在彈性限度內(nèi),鋼筋條能夠增加抗拉的強度,若鋼筋條放在上表面的話,不加鋼筋的預(yù)制板水泥抗拉強度不夠而容易斷裂.為了減輕控制板的重量以及節(jié)省鋼筋用料預(yù)制板中間留空心,又考慮到預(yù)制板的抗壓強度較強,為節(jié)省成本,單面埋置鋼筋.當(dāng)這種壓力撤除后預(yù)制板會恢復(fù)到原來的形狀,這種形變就叫做彈性形變.以預(yù)制板引入課堂教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生從工程問題探究知識的興趣,培養(yǎng)學(xué)生STEM教育的學(xué)科整合教學(xué)意識.

圖2 建筑工廠的預(yù)制板 圖3 預(yù)制板受力情況

1.2 開發(fā)STEM教育的課程資源

發(fā)生彈性形變的物體受到了物體之間相互作用的力,當(dāng)撤去這種力的作用時物體恢復(fù)原來的狀態(tài).發(fā)生形變的物體,要恢復(fù)原狀對它接觸的物體會產(chǎn)生力的作用,這個力就叫彈力.彈力是在彈性限度內(nèi)形變物體由于要恢復(fù)原狀對接觸的原物體產(chǎn)生的作用力.

在少數(shù)民族地區(qū)彈弓是一種常見的玩具,其主桿一般用樹木的枝丫制作,成‘Y’字形,兩個皮筋的各一端系在‘Y’字形主桿的上方兩頭,兩個皮筋的另一端系上一包裹石子的皮塊而構(gòu)成,如圖4(a)所示.在少數(shù)民族地區(qū)大部分學(xué)生都接觸過彈弓,小時候經(jīng)常喜歡用彈弓追趕小動物,但當(dāng)時學(xué)生只注重彈弓追趕小動物,對其中所隱含的物理知識沒有認(rèn)識,以彈弓進(jìn)行基于STEM教育的“彈力”教學(xué)設(shè)計,能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生從身邊的日常生活了解知識.

(a)彈弓 (b)彈弓放手瞬間石子的受力及運動情況

圖4 彈弓及其運動狀況

用彈弓發(fā)射石子時,皮筋拉力越大,彈弓的威力就越大,也就是石子受到的作用力就越大.當(dāng)以一定的作用拉力將裹有石子的皮塊拉開之后放開,在此瞬間,皮塊沒有了拉力的作用,但因物體的慣性會保持一瞬間的原有狀態(tài),之后發(fā)生形變的皮筋由于不受拉力的作用而要恢復(fù)原來的狀態(tài),會對裹在皮塊里的石子產(chǎn)生一個斜上拋方向的推力作用,即彈力F的作用,并在豎直向下的重力G作用下石子射出去做斜上拋運動.因石子很小而忽略空氣阻力,如圖4(b)所示.在其過程中,放開皮筋瞬間石子的受力分析,如圖5(a)所示.讓皮筋發(fā)生形變的是人對皮塊的拉力,當(dāng)達(dá)到平衡時皮塊的拉力等于皮筋對皮塊的張力,如圖5(b)所示.

受力物體石子受到的彈力,是與此接觸的施力物體皮筋發(fā)生形變而產(chǎn)生的,而非自身的形變產(chǎn)生,并且彈力的方向是施力物體的形變方向相反或施力物體恢復(fù)形變的趨向一致.彈力的產(chǎn)生需要發(fā)生彈性形變的物體之間相互接觸.

在彈性限度內(nèi),石子受到的彈力大小與彈弓發(fā)射石子前皮塊受到的拉力或拉力作用下皮筋的形變量和皮筋本身的性質(zhì)有關(guān).當(dāng)同一個彈弓所受的拉力不同時,彈力不相等,即皮筋拉力越大,石子受到的彈力就越大,也就是說在不同拉力作用下皮筋的形變量不同,石子受到的彈力就不相等,并且彈力的大小和物體的形變量成正比，即F∝Δx.當(dāng)選用不同的彈弓皮筋,皮筋的形變量相等時,所施的拉力和石子受到的彈力也不相等,其與皮筋自身的性質(zhì)有關(guān),因此彈力的大小跟皮筋的形變量和自身的性質(zhì)有關(guān).英國科學(xué)家胡克在探究彈性限度內(nèi)形變物體的作用規(guī)律時發(fā)現(xiàn)了胡克定律,即

F=-kΔx

其中k為勁度系數(shù),單位是牛頓每秒N/m,由皮筋的材料、粗細(xì)、長短決定.

1.3 制造模型驗證定律

開發(fā)STEM教育的課程資源理解概念及規(guī)律之后,鼓勵學(xué)生進(jìn)一步應(yīng)用知識制造模型,從模型制作的實踐教學(xué)過程中驗證相關(guān)規(guī)律.彈弓的制作比較簡單,在課堂教學(xué)中學(xué)生進(jìn)行分組后,每組在紙上畫出彈弓形狀圖.根據(jù)形狀圖學(xué)生選用銼刀、剪刀、樹叉、皮筋、皮塊、石子、彈簧、直尺等工具進(jìn)行模型制作的教學(xué)活動,其中要求讓每三組選用相同的皮筋及其長度,確保驗證規(guī)律時的準(zhǔn)確性.首先用銼刀將樹叉挫成一個上方類似等腰三角形,下方類似圓柱形的‘Y’形木頭彈弓架；其次在兩個弓臂上方處挫成一小塊圓柱形以便系皮筋,用剪刀剪下一個能包裹石子的皮塊和兩個長度和寬度相同的皮筋,最后將皮筋一端綁在彈弓架的弓臂上,另一端綁在皮塊上,兩邊的皮筋長度一致,確保皮塊在皮筋中段或彈弓的中間位置,一把木質(zhì)的彈弓制作完成,如圖6所示.

圖6 彈弓的樣品圖

彈弓的樣品制作完成后,以樣品進(jìn)行胡克定律的驗證.選用相同皮筋的每三組進(jìn)行演示,用直尺測量皮筋的原長度,再將彈簧掛在皮塊上,依次改變皮塊的拉力來測量形變Δx后皮筋的長度x1,觀察并記錄彈力F彈大小,填入表1.

表1 同性質(zhì)的彈弓驗證胡克定律(k=____________)

選用不同皮筋的彈弓,確定皮筋的形變量Δx之后,用彈簧將不同彈弓上的皮塊拉開到相同的Δx位置,觀察記錄彈力F彈的大小,并計算k的值,填入表2.

表2 不同性質(zhì)的彈弓驗證胡克定律(Δx=____________)

當(dāng)皮塊受到的拉力不變時處于平衡狀態(tài),拉力和彈力相等.根據(jù)表1和表2進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析,驗證胡克定律,即

F=-kΔx

以樣品的制作及其應(yīng)用驗證規(guī)律之后,需要在每組中選一位代表對該組的樣品制作及數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行表述,讓其他小組在表述過程中分析探討問題.通過比較發(fā)現(xiàn)其他組的優(yōu)點來補充自身的不足,最后教師進(jìn)行知識概括,并做課堂教學(xué)過程的總結(jié).

2 以射箭為例進(jìn)行“力的合成與分解”教學(xué)設(shè)計

新課標(biāo)對高中物理教學(xué)明確要求,課程在內(nèi)容上注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系,融入理論和實踐新成果進(jìn)行教學(xué)設(shè)計,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力.“力的合成與分解”是人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理(必修1)》中第三章“相互作用”的第四五節(jié)內(nèi)容,初中教學(xué)中的二力合成是同一直線上同向相加異向相減的知識,是高中力的合成中的一個特例.掌握力的合成與分解及其平行四邊形定則的含義和使用方法是解決力學(xué)問題的基礎(chǔ)和工具.

2.1 用演示實驗創(chuàng)設(shè)問題

根據(jù)教材內(nèi)容,進(jìn)行彈簧測力計對橡皮條產(chǎn)生作用力的兩個不同實驗.首先將第一個橡皮的O點受到斜向左和向右兩邊的拉力F1和F2的作用,另一個橡皮的O點受到水平方向的拉力F的作用.兩個橡皮條拉長到長度相等位置時,發(fā)現(xiàn)F對橡皮條作用的效果與F1和F2共同作用的效果相同,如圖7所示.從力的作用效果相同引入分力和合力、力的合成與分解的概念,同時對三個力以矢量疊加原理作圖分析.以F1和F2作為兩個鄰邊平移做一個平行四邊形,兩個分力底部相交處做一個對角線為F1和F2的合力,其與拉力F相等,這就是矢量運算中的平行四邊形定則,如圖8所示.

圖7 橡皮條的演示實驗 圖8 平行四邊形定則

2.2 開發(fā)STEM教育的課程資源

學(xué)習(xí)了力的合成與分解,并在平行四邊形定則概念基礎(chǔ)上,教師可以利用在線視頻資源或多媒體設(shè)備為學(xué)生提供相應(yīng)的教學(xué)活動資料,引導(dǎo)學(xué)生從實際生活發(fā)現(xiàn)相關(guān)課程資源,將物理概念與生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系.

在當(dāng)今,我國的民族地區(qū)還保留射箭這樣的一些傳統(tǒng)的體育運動項目,尤其藏族群眾對射箭運動有著濃厚的興趣,如每年國慶期間在青海尖扎縣舉行的射箭比賽就吸引了來自世界各地的射箭愛好者前來比賽.射箭是傳統(tǒng)民族文化的一種傳承,其物理原理的分析是對物理教學(xué)中彈力應(yīng)用實例的有益補充,對提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,進(jìn)行STEM教育,對核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起到積極作用.

圖9 弓和箭圖示

射箭由弓和箭組成,如圖9所示.在射箭的過程中射箭人將箭放在弓弦里,慢慢拉起弓弦用最大力時達(dá)到了平衡狀態(tài),而此時弓弦的中間點產(chǎn)生張力F1和F2的作用,并且弓弦上的拉力F拉等于弓弦兩端的張力F1和F2的合力,如圖10(a)所示.弓弦發(fā)生了形變,形變的弓弦要恢復(fù)原來的狀態(tài)會產(chǎn)生彈力F的作用,彈力從0開始變大.當(dāng)射箭人放開弓弦時,箭尾受到弓弦彈力作用而射出去,放開瞬間箭尾受到弓弦的彈力F等于射箭人對弓弦的拉力F拉,如圖10(b)所示.

(a)弓弦中間點的受力分析 (b)箭上的受力分析

圖10 射箭中的受力分析

在射箭的過程中,弓弦的中間點所受到的張力F1和F2可以在直角坐標(biāo)上進(jìn)行分解.在x軸和y軸上分解為F1x、F2x和F1y、F2y,因為F1和F2相等,所以在y軸上的分力F1y和F2y等大反向,其合力為零；在x軸上分力F1x和F2x的合力為2F1cosθ或2F2cosθ,如圖11(a)所示.在相同拉力的作用下,箭由于弓弦的形變而受到彈力F的作用和弓弦的張力F1和F2對箭的作用具有相同的效果,其作用效果符合力的平行四邊形定則,如圖11(b)所示.

(a)直角坐標(biāo)系中箭的受力分解 (b)力的平行四邊形定則

圖11 兩種受力分析圖

當(dāng)射箭人對弓弦的拉力不變的情況下,學(xué)生可以利用彈簧對射箭中箭受到的彈力F和弓弦的張力F1、F2進(jìn)行平行四邊形定則的演示.

2.3 制造模型培養(yǎng)工程技能

教師在學(xué)生STEM學(xué)科整合思維的基礎(chǔ)上,將知識應(yīng)用于工程技能訓(xùn)練的實踐學(xué)習(xí)中,提高STEM教育的學(xué)科整合教學(xué)能力.

圖12 制作的弓和箭圖

弓箭是由弓和箭組成,弓由有彈性的弓臂和有韌性的弓弦構(gòu)成;箭包括箭頭、箭桿和箭羽.在教學(xué)中學(xué)生只準(zhǔn)備銼刀、剪刀、膠布、軟木棒、小木棒、橡皮筋、酒精燈即可.在教師指導(dǎo)下按學(xué)生的學(xué)習(xí)情況以五人一組進(jìn)行弓和箭的制作.首先用銼刀將軟木棒銼成中間粗兩邊外橢內(nèi)平的弓臂,將小木棒銼成橢圓狀的細(xì)棒做箭桿.弓臂和箭桿的制作完成后,將弓臂慢慢彎成一弓形.為了防止其伸直復(fù)原,必須用酒精燈烤,并以皮筋充當(dāng)弓弦系在弓臂上做成弓,用剪刀將膠布代替箭羽切成長方形,貼在箭桿的底端,用銼刀把箭桿的上端銼成尖銳箭頭,這樣弓和箭制作完成,如圖12所示.

3 結(jié)束語

少數(shù)民族地區(qū)學(xué)生對知識與工程技術(shù)的銜接能力及動手制作能力,并結(jié)合實際工程問題,應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力有待提高.以創(chuàng)設(shè)STEM教育的問題情境,讓學(xué)生探究問題,這樣可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及探究問題的積極性.開發(fā)少數(shù)民族地區(qū)STEM教育的課程資源進(jìn)行相關(guān)概念的理解,提升了學(xué)生的STEM教育意識.在樣品制作的過程中,學(xué)生進(jìn)行了實踐性學(xué)習(xí),體驗了工程技能的訓(xùn)練,演示實驗及數(shù)學(xué)運算的教學(xué),也體現(xiàn)了物理教學(xué)中以STEM教育學(xué)科整合解決抽象問題的能力,提升了物理知識的框架建構(gòu)和核心素養(yǎng)的培養(yǎng).