STEAM理念融入高中物理課堂教學(xué)的實踐與探索

鄒萍 段懷璽 張軼炳

摘? 要：近年來，STEAM教育受到我國教育專家和一線教師的廣泛關(guān)注。STEAM教學(xué)方法主要有基于問題和基于項目的兩種教學(xué)方法。文章以高中物理電動機模型為例，采取問題引導(dǎo)和項目設(shè)計制作相結(jié)合的教學(xué)方法，讓學(xué)生設(shè)計開發(fā)工程項目，以案例方式呈現(xiàn)STEAM理念在物理教育中的應(yīng)用，并探索STEAM教育培養(yǎng)方式。

關(guān)鍵詞：STEAM;教學(xué)實踐;電動機模型

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0010-5

1? ? 引? 言

STEM即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡稱。STEAM教育不是簡單地將S、T、E、A、M五類知識拼接于課堂教學(xué)中，而是旨在打破學(xué)科領(lǐng)域的界限，倡導(dǎo)基于問題和基于項目的學(xué)習(xí)方式，強調(diào)實踐和體驗，重視問題解決能力發(fā)展，在解決問題中融合各學(xué)科知識，培養(yǎng)全面發(fā)展的人的思維能力[1]，是一種新的教育理念和學(xué)習(xí)方式[1，2]。

近年來，我國STEAM教育理念研究如火如荼，在我國現(xiàn)有分科教學(xué)的教育現(xiàn)狀下，如何在學(xué)科課程中滲透STEAM教育理念是很多物理教育者探索的問題。

2? ? 物理STEAM教學(xué)方法

2.1? ? 物理STEAM教育中各要素的涵義

基于STEAM教育理念的物理教學(xué)，筆者對STEAM各個要素進行了如下解讀：S（科學(xué)）是物理學(xué)的理論，包括物理概念、原理、定律、定理及物理學(xué)的方法（如模型、推理、觀察、實驗等）;E（工程）在這里主要體現(xiàn)工程設(shè)計的思想，在具體物理學(xué)習(xí)中可以是實驗方案設(shè)計、開發(fā)實體模型前的圖紙設(shè)計及對原有產(chǎn)品或方案的改進設(shè)想等，其目的是能將物理學(xué)的理論應(yīng)用到具體的問題解決的過程，設(shè)計出基于物理原理方法的解決問題的方案、設(shè)計圖等，設(shè)計過程中既要符合科學(xué)原理，還要體現(xiàn)考慮開發(fā)成本、安全、美觀等工程設(shè)計思想;T（技術(shù)）和工程在真實項目中是分不開的，為了將這一要素滲透在物理教育中，這里的技術(shù)主要體現(xiàn)技術(shù)操作和技術(shù)手段，如實驗設(shè)備的操作技術(shù)、實體模型制作技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)及數(shù)字化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，事實上科學(xué)、工程、技術(shù)三者相互依存，科學(xué)發(fā)現(xiàn)促使新技術(shù)的出現(xiàn)，新技術(shù)是利用工程項目設(shè)計開發(fā)出來的;M（數(shù)學(xué)）在物理學(xué)中是無處不在的，STEAM物理教育中的數(shù)學(xué)主要強調(diào)物理的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及應(yīng)用，也包括實驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理方法，運用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)科學(xué)或工程模型;A（藝術(shù)）指人文藝術(shù)，追求美并融入物理教育中，物理STEAM的藝術(shù)包括物理語言藝術(shù)、物理結(jié)構(gòu)之美及學(xué)生設(shè)計、開發(fā)產(chǎn)品過程滲透的美學(xué)成分，由此提高學(xué)生對美的理解能力，增加對美的體驗?zāi)芰ΑＴ谖锢斫虒W(xué)中滲透STEAM教育理念的宗旨就是通過一節(jié)課或者一個項目明確滲透五要素，融合物理學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識及思想，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程思維和科學(xué)探究精神。

2.2? ? 基于STEAM的物理教學(xué)方法

中國目前的中學(xué)物理教育是不缺物理及數(shù)學(xué)成分的，但需將工程、技術(shù)及藝術(shù)要素融入其中，達到五要素深層融匯整合。課程設(shè)計需讓學(xué)生體驗工程設(shè)計、技術(shù)操作、美學(xué)思想，并自主設(shè)計制作產(chǎn)品，筆者選擇“電動機模型”進行實踐研究。

本研究采取的是“問題引導(dǎo)”+“項目設(shè)計制

作”的教學(xué)方法：首先，教師通過提出一些序列性問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與下面項目設(shè)計相關(guān)的理論，為自己設(shè)計開發(fā)項目做鋪墊;其次，讓學(xué)生小組合作，根據(jù)教師提供的材料制作一個作品;最后，讓學(xué)生匯報本小組作品的物理原理、設(shè)計圖、制作過程，并展示效果。

具體的教學(xué)流程框架圖如圖1所示。

3? ? 基于STEAM的教學(xué)案例設(shè)計——“電動機模型”

學(xué)生通過對高中物理選修3-1第三章第四節(jié)安培力[4]的學(xué)習(xí)，對安培力的相關(guān)知識有了一定的了解，但傳統(tǒng)物理課堂與實際生活的應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密。電動機作為安培力知識在實踐生產(chǎn)中的重要應(yīng)用，在新的教學(xué)模式下，將STEAM教育理念融入到物理教學(xué)中，將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等貫穿到課堂中，學(xué)生體驗工程師開發(fā)設(shè)計工程項目的過程，在工程與技術(shù)中鞏固科學(xué)知識與方法。

針對本節(jié)教學(xué)拓展課的特點，基于STEAM

教育理念，筆者列出“電動機模型”教學(xué)中有關(guān)STEAM教育理念的滲透，如圖2。

現(xiàn)筆者根據(jù)安培力應(yīng)用與STEAM教育理念的融合，將教學(xué)實踐從以下幾個方面進行展開。

4? ? 基于STEAM教育理念的物理教學(xué)研究

4.1? ? 基于問題的學(xué)習(xí)

4.1.1? ? 情境整合：基于真實技術(shù)產(chǎn)品，引入課題

生活中無處不在的電動機，教師通過拆除家用電器的電動機部分，向?qū)W生展示真實技術(shù)產(chǎn)品——家用換氣扇電動機（如圖3）。

此時，學(xué)生會心存疑惑，該電動機的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理是如何的呢？

接下來以兩個“電動機模型”項目進行展開，深入拓展研究。

4.1.2? ? 展示小電動機實物模型

問題是STEAM教育的起源，不管是做科學(xué)還是做工程，都需要提出問題并定義問題。

教師展示簡易電動機模型（如圖4），學(xué)生觀察、思考。

教師根據(jù)實物模型提出反映教學(xué)目標的問題（如圖5）。

4.1.3? ? 從實物模型到物理模型

學(xué)生嘗試將實物模型轉(zhuǎn)換為物理模型，結(jié)合已學(xué)安培力相關(guān)的物理知識，給出問題的答案。

學(xué)生通過教師演示，嘗試將簡易實物模型轉(zhuǎn)化為物理示意圖，根據(jù)學(xué)過的知識，畫出物理模型;畫出磁感線;判斷電流方向;運用科學(xué)分析受力，判斷運動。

4.1.4? ? 從物理模型到數(shù)學(xué)模型

（1）從物理模型中分析載流直導(dǎo)線各物理量之間的定量關(guān)系

①磁場方向與電流方向垂直時的定量關(guān)系

基于前面所學(xué)知識——磁感應(yīng)強度，當磁場方向與電流方向垂直時，畫出物理量之間的關(guān)系簡圖，分析可得所受安培力為F=ILB。

②推導(dǎo)出磁場方向與電流方向夾角為θ時的定量關(guān)系

學(xué)生通過科學(xué)方法——矢量分解法，將磁場方向進行分解，分析得出科學(xué)公式：F=ILBsinθ。

（2）從物理模型中拓展分析載流曲導(dǎo)線各物理量之間的定量關(guān)系

當一段彎曲的導(dǎo)線，通入電流，放入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中（如圖6），此時安培力的大小為多少呢？

學(xué)生類比遷移，將電流方向分解為垂直磁場方向和平行磁場方向進行分析，但在該部分，學(xué)生需要注意到磁場是矢量，可以分解，電流并不是矢量，需采取化曲為直等科學(xué)方法進行安培力大小的求解。

4.2? ? 基于項目的學(xué)習(xí)——科學(xué)—技術(shù)—工程

4.2.1? ? 從科學(xué)模型到制作項目

不管是科學(xué)家還是工程師在做研究時，既單獨工作又團結(jié)合作?？紤]到教學(xué)實施過程中的多方面因素，課堂提供以下器材，電池、導(dǎo)線、柱形磁鐵、漆包線若干、塑料杯等，每位學(xué)生化身小小工程師，小組合作嘗試制作一個關(guān)于“電動機模型”的項目產(chǎn)品。

學(xué)生進行分組并討論設(shè)計，初步設(shè)計實驗方案，思考制作電動機的方式方法。

（1）實踐項目用到的基本物理原理

通電線圈在磁場中受到磁場力矩的作用后會發(fā)生轉(zhuǎn)動。線圈在轉(zhuǎn)動的一周內(nèi)，只有半周線圈中有電流，此時在磁場力作用下線圈加速旋轉(zhuǎn)，另半周線圈中無電流，線圈依靠慣性轉(zhuǎn)動。

（2）學(xué)生自制實驗項目設(shè)計圖

①學(xué)生根據(jù)物理原理畫出設(shè)計圖，并相互交流;

②修改設(shè)計圖。

（3）實踐項目步驟

①制作線圈;

②組成閉合回路;

③磁場作用下，電動機模型工作。

學(xué)生清楚電動機的相關(guān)知識與原理后，用漆包線纏繞成線圈，并和電池組成一個閉合回路，線圈中通有電流，此時線圈為通電線圈，再加上柱形磁鐵產(chǎn)生的磁場作用，就可使線圈轉(zhuǎn)動起來。

（4）歷經(jīng)工程項目過程

工程項目的制作過程見表1。

4.2.2? ? 從制作項目到科學(xué)知識

工程項目的制作過程整合了科學(xué)知識和方法，通過所學(xué)的物理知識——安培力，學(xué)生科學(xué)論述自制電動機實物的受力情況。

線圈每轉(zhuǎn)一周，只有半周獲得動力，在另半周線圈將要受到阻礙它轉(zhuǎn)動的力時沒有電流通過，線圈不受力;線圈靠慣性轉(zhuǎn)過這半周后，又回到原來的狀態(tài)，又受到同方向的轉(zhuǎn)動力，以保證線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動下去。

科學(xué)的工程項目離不開精確的數(shù)學(xué)計算，數(shù)學(xué)是理解物理的關(guān)鍵工具。作為小小工程師，解決了線圈轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性的技術(shù)問題，有學(xué)生開始思考整個圓周的受力，進行定量分析，真正從工程師的角度去細致考量問題。

以其中一組的項目為例，進行深入分析。

連接電路，上下半周的電流方向如圖7所示，線圈磁場方向近似豎直向上，此時線圈的環(huán)形電流方向如圖7，根據(jù)左手定則可知，上半周所受的安培力方向垂直紙面朝里，下半周的安培力方向垂直紙面朝外，線圈由此轉(zhuǎn)動。如圖8，對線圈進行受力分析，線圈電流在磁場中所受的安培力對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩，使線圈轉(zhuǎn)動。

將通電線圈切分成無數(shù)個微小的線段微元，每個線段微元的長度為dl，導(dǎo)線的橫截面積為S，導(dǎo)線內(nèi)的電荷密度為n，每個線段微元內(nèi)包含的載流子數(shù)為dN=nSdl（1）

每個載流子的受力為q■×■（2）

微元受力為d■=（dN）q■×■=nSdlq■×■（3）

因為電流I=nSqv，故d■=Id■×■（4）

可得安培力大小為dF=IdlBsinθ（5）

水平位置時，由于一端的絕緣漆沒有完全刮掉，導(dǎo)致此時線圈斷路，線圈不受力，依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，再次通電、受力、轉(zhuǎn)動。

由以上分析得出安培力的公式為

F=ILBsinθ（6）

4.2.3? ? 學(xué)生交流匯報，分享成果

學(xué)生制作完成簡易電動機模型后，匯報本小組的實驗原理，分享自己的“工程師”歷程，探討設(shè)計過程的收獲與經(jīng)驗。在現(xiàn)實生活中，電動機的制作在學(xué)生的模型設(shè)計上進一步優(yōu)化，通過設(shè)法改變后半周的電流方向，使線圈在后半周也能獲得動力，線圈將更平穩(wěn)、有力地運轉(zhuǎn)，實際電動機就通過換向器實現(xiàn)這一目的。

學(xué)生通過本節(jié)課工程項目的設(shè)計與探究，對電動機的工作原理有更為深刻的認識，將換氣扇電動機拆除，檢查內(nèi)部構(gòu)造，各小組交流討論，嘗試解釋家用換氣扇電動機的工作原理。學(xué)生在課堂最后將科學(xué)知識與實際生活緊密相連，嘗試用物理知識解釋生活問題，課堂教學(xué)得到有效延伸。

4.2.4? ?研究結(jié)論

STEAM教育理念已成為一種課程設(shè)置的趨勢，本文將該理念應(yīng)用到探究安培力應(yīng)用的教學(xué)實踐中，打破傳統(tǒng)教學(xué)中以教師講解為主的應(yīng)試教育，讓學(xué)生自主動手設(shè)計制作簡易電動機等模型，在理解安培力等相關(guān)知識的同時，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，并熟練應(yīng)用所學(xué)知識。學(xué)生制作出來的模型盡管比較簡單，但對于他們來說真正做成功需要花費時間和精力，在工程項目的實踐中可將學(xué)過的科學(xué)知識內(nèi)化，不斷思考和應(yīng)用，在很大程度進行跨學(xué)科整合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

5? ? 結(jié)? 語

隨著近年來教育研究的深入和發(fā)展，STEAM教育成為國內(nèi)外教育改革的重要趨勢。傳統(tǒng)教學(xué)模式也逐漸注重學(xué)生小組討論與合作，雖形式各異，但學(xué)生對知識的理解僅停留在表面，并沒有進行深入地探究。STEAM教育旨在解決實際問題，學(xué)生像工程師一樣實踐操作，開發(fā)產(chǎn)品，再不斷利用技術(shù)和數(shù)學(xué)改進方案，內(nèi)化科學(xué)，體現(xiàn)藝術(shù)感，最終完成工程項目。STEAM教育理念突破傳統(tǒng)的教學(xué)途徑和模式，有助于中學(xué)物理教學(xué)模式的深入改革。望本文能為一線教師提供一些教學(xué)參考。

參考文獻：

[1]National? Science? Board.Undergraduate? Science Mathematics? and? Engineering? Education[EB/OL].（1996-03-21）[2017-09-12].

[2]Yakman G. STΣ@M education： An Overview of Creating a Model of Integrative Education[EB/OL].（2010-08-07）[2017-09-13].

[3]楊開城，竇玲玉，李波，等.STEM教育的困境及出路[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2020，32（02）：20-28.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：91-93.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）