基于steam理念的高中跨學(xué)科課程的開發(fā)與實施

楊恒

摘要：基于理科綜合課程實驗課程的開發(fā)，利用手機(jī)內(nèi)置傳感器進(jìn)行數(shù)字化實驗進(jìn)行了嘗試。以“探秘電池的奧秘”為例，展示物理、化學(xué)跨學(xué)科課程的設(shè)計思路，并進(jìn)行嘗試。

關(guān)鍵詞：steam理念﹐手機(jī)內(nèi)置傳感器﹐跨學(xué)科課程

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

為了提升高中生的學(xué)科核心素養(yǎng)，嘗試在物理、化學(xué)等學(xué)科開發(fā)了一系列跨學(xué)科解決實際生活問題的課程，跨越不同學(xué)科進(jìn)行知識建構(gòu)與學(xué)習(xí)遷移，激發(fā)其創(chuàng)造力。[1-2]。

“探秘電池的奧秘”以電池的發(fā)展歷史作為主線，結(jié)合同學(xué)們實際生活中遇到的與電池相關(guān)的問題，認(rèn)識電池的分類，設(shè)計出最優(yōu)化的原電池，探究能源利用最大化以及環(huán)境保護(hù)。通過這樣一系列的活動，貼近學(xué)生的日常生活，使學(xué)生有能力通過探索來解決問題，在動手實踐中實現(xiàn)知識建構(gòu)，讓學(xué)生通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)看待問題的視角更加多元化[3]。

一、問題提出

“探秘電池的奧秘”主要涉及了物理和化學(xué)兩學(xué)科的知識。在跨學(xué)科設(shè)計整體思路的基礎(chǔ)上，首先尊重各學(xué)科本身的學(xué)科特點，以分科教學(xué)為基礎(chǔ)，降低老師教學(xué)和同學(xué)學(xué)習(xí)的難度。其次，通過“探秘電池的奧秘”這一主題的聯(lián)結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從多維度理解“電池”，讓其看待問題的視角更加多元，在遇到復(fù)雜問題時，能夠提出創(chuàng)造性解決方案，讓電池優(yōu)化方案更加科學(xué)合理。

二、跨學(xué)科設(shè)置探索過程

我們先在分科學(xué)科教學(xué)中滲透研究性學(xué)習(xí)方式，解決基本的學(xué)科概念問題。我們再通過跨學(xué)科主題探究的方式，從分科教學(xué)的知識組合推向深層概念形成，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。跨學(xué)科學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)的過程中都會涉及到更多元化的學(xué)習(xí)方式，比如個體的獨(dú)立學(xué)習(xí)，合作學(xué)習(xí)等方式，因此，提供必要的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動，是支持學(xué)生開展有效學(xué)習(xí)和探究的重要保障。

三、課堂探究

以“探秘電池的奧秘”為主題，設(shè)置制作原電池、點亮小燈泡、測量原電池的電動勢與內(nèi)阻、優(yōu)化原電池、認(rèn)識不同的電池五個任務(wù)驅(qū)動學(xué)生推進(jìn)學(xué)習(xí)。

（一）制作原電池

布置任務(wù)：準(zhǔn)備不同材料作為電解液和電極，自制原電池，利用手機(jī)內(nèi)置傳感器、phyphox和ESP32測量電壓。學(xué)生分別往容器中倒入可樂、食用油和牛奶，然后將鋅片和銅片插入插槽中，完成了三節(jié)不同的原電池的制作。用導(dǎo)線將金屬片與ESP32相連，利用手機(jī)傳感器測量不同電解液制作出來的原電池兩端的電壓。讓學(xué)生認(rèn)識到不同的電源，在不接用電器時兩極間的電壓一般不相同，它反映了電源本身的一種性質(zhì)。

（二）點亮小燈泡

學(xué)生在已經(jīng)學(xué)習(xí)過原電池的原理，在初中物理學(xué)科中也已經(jīng)學(xué)習(xí)過閉合回路中有電勢差可以形成電流，但是沒有把二者實際聯(lián)系起來。用可樂電池接上一小燈泡時，燈泡不亮。這是為什么呢？這引發(fā)了思考：為什么有電壓，也形成了閉合回路，但是小燈泡不亮﹖

用牛奶電池接同一小燈泡時，燈泡卻亮了?？蓸冯姵氐碾妱觿葺^大，但能使燈泡發(fā)光的卻是電動勢較小的牛奶電池。這又是為什么呢？

進(jìn)一步進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)核心問題是原電池存在內(nèi)電阻。然后通過手機(jī)傳感器對原電池進(jìn)行測量分析，構(gòu)建電源內(nèi)阻的知識，，從而發(fā)現(xiàn)燈泡不亮的關(guān)鍵問題所在：路端電壓不足。

（三）測量電源電動勢和內(nèi)阻

學(xué)生需要通過跨學(xué)科的知識來思考優(yōu)化電池的方法。例如從（化學(xué)學(xué)科角度）影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素考慮溶液溫度、溶液濃度等，又例如從（物理學(xué)科角度）影響電阻大小的因素考慮兩極板之間距離、兩極板的正對面積、溶液的電阻率等。然后分小組分別驗證各個方案的可行性。

為了降低學(xué)生的探究實驗的難度，將開放實驗室，提供不同的實驗儀器，學(xué)生在實驗探究過程中可以直接到實驗室取用，這樣不但大大降低了學(xué)生準(zhǔn)備實驗儀器的難度，而且使得“測什么、怎么測（即測量什么物理量、選擇哪種實驗器材來測量該物理量、應(yīng)該如何測量）”這個實驗設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)也成為了學(xué)生必須自主完成的一部分，可以培養(yǎng)學(xué)生實驗創(chuàng)新能力

（四）原電池優(yōu)化

根據(jù)上個環(huán)節(jié)不同方案的實驗得出的數(shù)據(jù)，分析實驗數(shù)據(jù)可得：電源電動勢隨著溫度的升高而小幅度降低，電池的內(nèi)阻也隨著溫度的增高而下降，因此冬天的電池內(nèi)阻會增大。隨著電極間的間距增大和橫截面積減少，電源的電動勢和內(nèi)阻都增大。此時，老師可以引導(dǎo)學(xué)生嘗試?yán)斫饽芩固胤匠蹋ɑ瘜W(xué)學(xué)科）或者電源和電阻的串并聯(lián)問題（物理學(xué)科）。

接著從技術(shù)方面考慮電池的電動勢、內(nèi)阻、容量、耐用性與價格成本等問題，將電池性能數(shù)據(jù)優(yōu)化到最佳。這不但鍛煉學(xué)生的技術(shù)設(shè)計思維，而且還可以引導(dǎo)學(xué)生批判和質(zhì)疑數(shù)據(jù)的合理性，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)研究沒有灰色地帶，數(shù)據(jù)造假是科學(xué)不端的行為，要堅持實事求是的科學(xué)精神。

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生如何正確使用電池，最大地發(fā)揮電池的功效，延長電池的壽命，探究能源利用最大化以及環(huán)境保護(hù)。

四、教學(xué)反思

“探秘電池的奧秘”是基于STEAM理念進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)，主要學(xué)習(xí)物理、化學(xué)兩個不同的學(xué)科關(guān)于“電池”這一相同的概念但不同的知識點，以信息技術(shù)學(xué)科為輔助，以原電池為線索，培養(yǎng)學(xué)生對跨學(xué)科知識之間的關(guān)系的把握和協(xié)調(diào)，通過統(tǒng)整不同學(xué)科知識之間的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生從多維度理解和學(xué)習(xí)“電池”的知識。

參考文獻(xiàn)

[1] 教育部考試中心.中國高考評價體系[S].北京：人民教育出版社，2019.13—31

[2] 教育部考試中心.中國高考評價體系說明[S].北京：人民教育出版社，2019.32—34

[3] 陳彩霞，董亮，朱雪梅.地理與歷史跨學(xué)科“交互協(xié)同”教學(xué)模式的探索——以“祖國的首都——北京”（第一課時）為例[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2016（1）.6-12

[4] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書化學(xué)必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2020.31—58

[5] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書化學(xué)選擇性必修1[M].北京：人民教育出版社，2020.93-100

[6] 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.普通高中教科書物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2020.78-93

本論文是佛山市南海區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃年度重點課題《基于手機(jī)內(nèi)置傳感器的高中物理實驗校本課程開發(fā)與實踐研究》（項目編號：NH2019007）和廣東省教育科研“十三五”規(guī)劃年度教育科研重點項目《STEAM理念下基于手機(jī)內(nèi)置傳感器的高中理科實驗項目的開發(fā)與實踐研究》（項目編號：2020ZQJK021）的研究成果。