基于STEM教育理念的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探*
——以傳感器的應(yīng)用為例

袁杰 劉佳

(廣東外語外貿(mào)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 廣州 510540)

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)4門學(xué)科英文首字母的縮寫．STEM教育融合了4門學(xué)科的基礎(chǔ)知識和思維方法，通過跨學(xué)科融合能改變課程結(jié)構(gòu)過于強(qiáng)調(diào)學(xué)科本位的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，促進(jìn)學(xué)生多元智力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)踐動手能力．

1 STEM教育與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的契機(jī)

1.1 STEM教育與物理教學(xué)的關(guān)系

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，常常從簡單的現(xiàn)象入手，通過觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，運(yùn)用科學(xué)推理和論證，探究物體運(yùn)動的本質(zhì)，總結(jié)物理規(guī)律．將STEM教育的項目學(xué)習(xí)和問題解決為導(dǎo)向的理念融入物理教學(xué)中，倡導(dǎo)問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動，從“做中學(xué)”“玩中創(chuàng)”，將有利于學(xué)生科學(xué)思維的形成以及探究能力的培養(yǎng)．

1.2 STEM教育與物理教學(xué)整合遇到的問題

在以STEM教育的理念開展物理教學(xué)過程，筆者發(fā)現(xiàn)在以40 min或45 min為教學(xué)單元的課堂中通常是難以達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的．突破這樣一個難題，也成為各地研究者的共同話題．

1.3 STEM教育與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的相關(guān)研究

文獻(xiàn)[1]在“滲透STEM 教育的高中物理教學(xué)設(shè)計——以‘油膜法估測油酸分子直徑’實(shí)驗(yàn)為例”中給出以STEM教育理念設(shè)計物理教學(xué)的五步思維法，即情境導(dǎo)入(創(chuàng)設(shè)情境、建立模型、引入學(xué)習(xí)任務(wù))、合作探究(滲透STEM開展實(shí)踐研究)、組間交流(分享不同觀點(diǎn)拓展研究視角)、評價總結(jié)(師生互評、總結(jié)深化認(rèn)知).文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，創(chuàng)造型、制造性的“嵌入式”STEM教育可以按如下步驟來實(shí)施：問題與聚焦、調(diào)查與研究、設(shè)計與制作、展示與評價、完善與拓展、師生反思等．以上的觀點(diǎn)，在一定程度上對于STEM教育理念實(shí)施在物理教學(xué)起到了一定的作用，但在體現(xiàn)工程性方面略顯不足．

1.4 STEM教育與物理教學(xué)整合的契機(jī)

校本課程、研究性學(xué)習(xí)是學(xué)科教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，充分利用學(xué)校資源，利用學(xué)生的機(jī)動學(xué)習(xí)時間，實(shí)施STEM教育，是STEM教育與物理教學(xué)整合的一條途徑．即教師在課堂傳授學(xué)科知識，提出學(xué)習(xí)中遇到的問題，擬定學(xué)習(xí)目標(biāo)，課后由學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)研究解決問題，即利用課內(nèi)和課外相結(jié)合的形式實(shí)施STEM教育．在物理教學(xué)中，可以基于STEM教育的理念設(shè)計一些物理實(shí)驗(yàn)，如反應(yīng)時間尺的制作、過山車模型的制作、驗(yàn)電器的制作、電容器電容的定量探究等．

2 教學(xué)實(shí)例

STEM教育最為關(guān)鍵的是跨學(xué)科融合，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和工程思維素養(yǎng)．筆者嘗試用STEM教育理念設(shè)計物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，總結(jié)出物理小實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式．下面以傳感器的應(yīng)用為例，介紹以STEM教育理念開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)研究．

在學(xué)習(xí)了傳感器這一節(jié)內(nèi)容后開展了小實(shí)驗(yàn)“會報警的建筑模型”的設(shè)計與制作．目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維及科學(xué)探究能力．通過 “傳感器的應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，總結(jié)出基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式．模式如下.

2.1 制定項目學(xué)習(xí)的目的

(1)了解傳感器和報警裝置的原理.

(2)探究簡易報警裝置和建筑模型的制作方法.

(3)學(xué)習(xí)繪制平面設(shè)計圖，培養(yǎng)其工程思維.

2.2 問題的提出

在學(xué)習(xí)了傳感器這一節(jié)內(nèi)容后，針對學(xué)習(xí)目標(biāo)提出一些問題，并通過項目的實(shí)施來解決問題．

2.2.1 本質(zhì)問題

(1)傳感器的工作原理是什么？

(2)什么是三視圖？如何繪制比較復(fù)雜的三視圖？

(3)Arduino Nano開發(fā)板的原理和用途？

2.2.2 驅(qū)動性問題(將本質(zhì)問題轉(zhuǎn)化為適合的驅(qū)動性問題)

(1)要同時實(shí)現(xiàn)聲光報警，需要哪些傳感器和電子元件？如何連接電路？

(2)繪制三視圖有哪些注意事項？

(3)從硬件上就能實(shí)現(xiàn)聲光報警嗎？如果不能，請畫出編程邏輯流程圖和Arduino Nano開發(fā)板的線路連接圖．

(4)你能寫出建筑模型制作的工程報告嗎？

2.3 科學(xué)原理

傳感器原理：在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指這樣一類元件，即它能感受到諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量，并能把它們按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個物理量或轉(zhuǎn)化為電路的通斷．

電機(jī)原理：通電導(dǎo)線在磁場中受到安培力而發(fā)生轉(zhuǎn)動．

2.4 材料及其工具

建筑外殼：輕質(zhì)木板，模型木棍，5 mm雪弗板，模型貼紙，白乳膠，木鋸，砂紙，刻刀，膠槍，激光切割雕刻機(jī)等．

報警系統(tǒng)：電源，Arduino nano板和擴(kuò)展槽各1塊，人體紅外傳感器1個，蜂鳴器1個，觸摸傳感器1個，RGB彩燈1個，杜邦線等．

2.5 制作或設(shè)計

2.5.1 模型設(shè)計

(1)模型設(shè)計需要具備的幾何知識

三視圖：三視圖是能夠反映物體長、寬、高尺寸的正投影工程圖．

比例尺：比例尺等于圖上距離與實(shí)際距離的比．

(2)模型設(shè)計的方法

數(shù)學(xué)課中學(xué)過三視圖，但是主要是針對規(guī)則的幾何圖形，對于不規(guī)則的幾何圖形的三視圖不夠熟悉，可以鼓勵學(xué)生們網(wǎng)絡(luò)自主研究繪圖方法，按照一定的比例尺畫出該建筑模型的三視圖．

2.5.2 制作建筑模型

(1)工程設(shè)計與技術(shù)方面的知識

就工程方面的知識而言，需要掌握arduino程序編寫、arduino電路板的使用(通過社團(tuán)活動來達(dá)成)．就技術(shù)方面而言，需要掌握編程技術(shù)、模型搭建、線路連接．

(2)設(shè)計與制作

1)根據(jù)學(xué)過的傳感器方面的知識和信息技術(shù)的知識設(shè)計制作建筑模型.

2)智能家居建筑模型創(chuàng)新設(shè)計.

如今正是智能家居高速發(fā)展的時期，教師可以鼓勵學(xué)生在建筑模型中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，比如說聲控開關(guān)、報警系統(tǒng)等，這里主要涉及到傳感器的使用．

3)在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)所設(shè)計的圖紙，利用激光切割機(jī)、3D打印機(jī)等制作．

2.6 設(shè)計調(diào)整

根據(jù)制作中出現(xiàn)的問題作出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，需要融合科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)各方面的知識．測試、修改及完善研發(fā)的智能家居建筑模型，組織學(xué)生完善并測試建筑模型及配套的報警裝置，根據(jù)測試結(jié)果，組織學(xué)生進(jìn)行討論分析和總結(jié)，指導(dǎo)學(xué)生完成智能家居建筑模型項目書．

2.7 作品交流與展示

(1)由小組長介紹本組的制作流程以及創(chuàng)新點(diǎn)，并展示項目書．各小組之間也可以相互交流，相互學(xué)習(xí)，在評比后加以改進(jìn)．

(2)運(yùn)行制作好的智能家居建筑報警器實(shí)施報警．

2.8 活動評價

2.8.1 教師對活動的評價

教師需要從任務(wù)發(fā)布、科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)、工程素養(yǎng)的培養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)等維度來評價整個活動，從而鑒定學(xué)生對TTP223觸摸傳感器和熱釋電紅外線傳感器原理的了解、 Arduino Nano開發(fā)板的應(yīng)用熟練程度、數(shù)學(xué)運(yùn)算能力和視圖能力、對激光切割機(jī)和3D打印機(jī)操作能力、科技制作文本的撰寫能力，以及團(tuán)隊合作意識等．

2.8.2 作品的評價

可以從比例精確(20分)、精細(xì)程度(30分)、視覺效果(20分)、創(chuàng)意設(shè)計(30分)4個方面評價作品.

2.9 活動總結(jié)

本項目讓學(xué)生們了解了傳感器的原理以及建筑模型的設(shè)計方法與制作流程，學(xué)會了繪制三視圖，鍛煉繪圖能力，自己切割、制作建筑模型，鍛煉了動手能力．STEM教育的理念在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了充分的體現(xiàn)，同時物理學(xué)科素養(yǎng)所倡導(dǎo)的以問題為導(dǎo)向、以學(xué)習(xí)為中心的教學(xué)理念也得以貫徹實(shí)施．

基于STEM教育理念的傳感器應(yīng)用這一項目的教學(xué)需要6節(jié)課的時間來完成，學(xué)生們在完成“能報警的荷蘭風(fēng)車”的過程中遇到了很多實(shí)際的問題，在這個過程中融合信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)設(shè)計等知識，通過跨學(xué)科融合解決問題．

3 按“基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”設(shè)計實(shí)驗(yàn)時的策略

基于STEM教育理念的傳感器應(yīng)用這一項目的教學(xué)，整個教學(xué)過程將物理、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等素養(yǎng)有機(jī)地融合，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，以及運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，給予了我們很多啟示．在以STEM教育理念設(shè)計物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，要運(yùn)用以下策略.

3.1 自主性策略

基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為中心，以項目為載體，學(xué)生在教師引導(dǎo)下，通過合作的方式進(jìn)行多樣化的設(shè)計，最后呈現(xiàn)真實(shí)的產(chǎn)品并進(jìn)行展示的一種教學(xué)模式．教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科知識，學(xué)生自主查閱資料，自主學(xué)習(xí)，自主設(shè)計，自主評價．鑒于現(xiàn)實(shí)問題的復(fù)雜性和多樣性，如前面設(shè)計的智能報警器，在物理實(shí)驗(yàn)活動中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生提出多種解決方案，經(jīng)歷提出方案、嘗試應(yīng)用、反思優(yōu)化的過程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力．

3.2 創(chuàng)新性策略

基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)，不是簡單的模仿或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)該是一種創(chuàng)新性設(shè)計的實(shí)驗(yàn)．教師鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，學(xué)生提出設(shè)想，教師引導(dǎo)學(xué)生分析創(chuàng)新設(shè)計的可行性并確定實(shí)現(xiàn)設(shè)計所需的工具和器材．在創(chuàng)新設(shè)計中培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力以及科學(xué)探究的能力．

3.3 工程性策略

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中，要求學(xué)生能獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計，體現(xiàn)物理教學(xué)中對學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)．在跨學(xué)科教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中形成不同的核心素養(yǎng)，在學(xué)科知識儲備過程中，形成了數(shù)學(xué)、物理以及工程技術(shù)的觀念．

4 結(jié)束語

STEM教育在孤立的學(xué)科中建立起一座貫通的橋梁，為學(xué)生提供了整體認(rèn)知的契機(jī)．通過把各領(lǐng)域的學(xué)科知識和技能有機(jī)整合，學(xué)生能將各科的知識相互聯(lián)系成為一個整體，是一種跨學(xué)科的融合．在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中，按照“(1)學(xué)習(xí)目標(biāo)→(2)問題提出→(3)材料及工具→(4)科學(xué)原理→(5)制作或設(shè)計→(6)設(shè)備調(diào)整或活動調(diào)整→(7)活動展示→(8)活動評價→(9)活動總結(jié)”的教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，采用小組合作模式，明確分工，撰寫工程報告．整個教學(xué)流程，充分體現(xiàn)了以問題為趨動，以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識．