滲透STEAM教育理念的高中物理課堂教學(xué)①
——以“靜電的防止與利用”的教學(xué)為例

龔文超

（浙江省義烏市義亭中學(xué)，浙江 金華）

一、STEAM教育理念應(yīng)用的必要性

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理核心素養(yǎng)與STEAM教育理念是統(tǒng)一的。STEAM教育可以讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)與物理有關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等問(wèn)題，有利于學(xué)生形成科學(xué)思維。STEAM教育注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和自主性，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探究問(wèn)題和解決問(wèn)題，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任。因此，將STEAM教育理念引入物理教學(xué)中，有助于提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

二、融入STEAM教育理念的物理課堂教學(xué)“困境”及解決方式

（一）遇到的“困境”

1.在時(shí)間安排上的“困境”

高中物理課堂教學(xué)時(shí)間緊、任務(wù)重，而STEAM教育基于問(wèn)題和項(xiàng)目來(lái)開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要從真實(shí)的情境中提出問(wèn)題，經(jīng)歷模型構(gòu)建、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目制作、成果展示、交流評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，需要大量的時(shí)間。課堂教學(xué)中既要完成常規(guī)的教學(xué)任務(wù)，又要完成某一個(gè)項(xiàng)目，時(shí)間上“捉襟見肘”。

2.在學(xué)生能力上的“困境”

高中生雖然已經(jīng)具備了一定的觀察、思維和應(yīng)用的能力，但也存在動(dòng)手能力不足、缺乏生活經(jīng)驗(yàn)、不會(huì)使用各種工具以及缺少創(chuàng)新能力等問(wèn)題。

3.在材料準(zhǔn)備上的“困境”

STEAM教育的項(xiàng)目制作需要各種各樣的器材和材料，這些“非標(biāo)準(zhǔn)化”的器材和材料需要自行選擇和準(zhǔn)備。同時(shí)，選擇何種材料和器材又與設(shè)計(jì)的方案息息相關(guān)，給課堂增加了不可控的因素。

（二）解決的方式

1.完善課前的準(zhǔn)備工作

課前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備，如完善項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案、選擇合適的材料等。材料應(yīng)具備易得、易加工、便宜、安全、效果顯著等特點(diǎn)。

2.合理安排課堂教學(xué)內(nèi)容和時(shí)間

在課堂教學(xué)中，項(xiàng)目的開展應(yīng)服務(wù)于本節(jié)課的內(nèi)容，應(yīng)將重點(diǎn)放在基于本節(jié)課的原理上進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。教師要做好引導(dǎo)，設(shè)置合理的問(wèn)題，降低學(xué)生設(shè)計(jì)的難度，使學(xué)生通過(guò)討論和思考逐步形成較為完善的設(shè)計(jì)方案。項(xiàng)目制作、成果展示、交流評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)可進(jìn)行部分刪減，留待課后完成。

3.開展課后的設(shè)計(jì)制作評(píng)比活動(dòng)

一堂課的時(shí)間很難完整地完成一個(gè)項(xiàng)目，即便在教師的引導(dǎo)下學(xué)生完成了設(shè)計(jì)和制作，也存在設(shè)計(jì)方案單一、學(xué)生未能充分參與、制作的成品粗糙等問(wèn)題。因此，教師有必要開展課后的設(shè)計(jì)制作評(píng)比活動(dòng)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使其通過(guò)合作交流、方案改進(jìn)、藝術(shù)加工等完成制作。教師就成品的材料、性能、外觀、結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.組織開展社團(tuán)活動(dòng)

學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)并非一朝一夕可成，組織開展科技創(chuàng)新類的社團(tuán)活動(dòng)有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

三、融入STEAM教育理念的“靜電的防止與利用”教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教材分析

本節(jié)課旨在提高學(xué)生綜合運(yùn)用電學(xué)知識(shí)的能力，加強(qiáng)學(xué)生聯(lián)系生活并解決實(shí)際問(wèn)題的能力。教材內(nèi)容可以歸納為1條主線、2個(gè)知識(shí)點(diǎn)、2個(gè)應(yīng)用、1類拓展（圖1）。

圖1

（二）學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電荷、靜電力、電場(chǎng)、電場(chǎng)線等電場(chǎng)的知識(shí)，具備了綜合探究靜電現(xiàn)象的知識(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，高二學(xué)生已經(jīng)具備了一定的實(shí)驗(yàn)探究能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，但將物理知識(shí)與生活相結(jié)合并解決實(shí)際問(wèn)題的能力較為薄弱，且缺乏動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

（三）教學(xué)過(guò)程

1.情境激趣導(dǎo)入新課

情境導(dǎo)入：

觀看一段精彩的“閃電秀”表演：利用特斯拉線圈制造出高壓電弧，表演者身穿金屬衣進(jìn)行表演。

提出問(wèn)題：金屬是導(dǎo)體，為什么穿上“金屬網(wǎng)”反而不怕電呢？這種“超能力”背后有什么物理規(guī)律呢？

2.建立模型探尋規(guī)律

建立模型：用勻強(qiáng)電場(chǎng)代替特斯拉線圈產(chǎn)生的非勻強(qiáng)電場(chǎng)；用不帶電的金屬板代替金屬衣。利用模型構(gòu)建，把復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題抽象成物理模型：勻強(qiáng)電場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體。

對(duì)導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)分布的研究需配合PPT動(dòng)畫進(jìn)行分步演示。利用問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生深入思考，逐步遞進(jìn)，追尋靜電感應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷抽象、分析、歸納的過(guò)程，逐步得到導(dǎo)體的靜電平衡狀態(tài)。

模型應(yīng)用1：靜電屏蔽

提出問(wèn)題：處于勻強(qiáng)電場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零，若在導(dǎo)體內(nèi)部挖出一個(gè)空腔，空腔內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零嗎？若將金屬導(dǎo)體換成金屬網(wǎng)，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零嗎？處于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)是否也為零？

演示實(shí)驗(yàn)1：隔空點(diǎn)亮節(jié)能燈

打開輝光球，教師手拿節(jié)能燈靠近輝光球，讓學(xué)生注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

總結(jié)：輝光球的原理與特斯拉線圈類似，都能產(chǎn)生高壓，形成電場(chǎng)（非勻強(qiáng)電場(chǎng)），電場(chǎng)可使節(jié)能燈內(nèi)的惰性氣體電離而發(fā)光。

演示實(shí)驗(yàn)2：金屬網(wǎng)屏蔽

步驟1：將節(jié)能燈放入透明的塑料瓶中，靠近輝光球，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

步驟2：將節(jié)能燈放入致密的金屬網(wǎng)中，靠近輝光球，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

步驟3：分次抽出金屬網(wǎng)中的金屬絲，使金屬網(wǎng)變疏，再靠近輝光球，觀察節(jié)能燈亮度變化。

歸納總結(jié)：導(dǎo)體殼（金屬網(wǎng)）可以保護(hù)里面的區(qū)域不受外部電場(chǎng)的影響，導(dǎo)體殼（金屬網(wǎng)）內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零。因此，本節(jié)課開始的“閃電秀”表演中，金屬衣里面的人是安全的，我們把這個(gè)物理現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。同時(shí)，處于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中，導(dǎo)體殼（金屬網(wǎng)）內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)仍為零，說(shuō)明處于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中的導(dǎo)體也處于靜電平衡狀態(tài)。

聯(lián)系生活實(shí)際：舉例靜電屏蔽在生活中的應(yīng)用。

（1）屏蔽線：用金屬網(wǎng)狀編織層把信號(hào)線包裹起來(lái)的傳輸線。

（2）電子儀器的屏蔽：電腦主機(jī)箱外殼為金屬。

（3）金屬網(wǎng)屏蔽：高壓帶電作業(yè)的工人穿戴的工作服，是用包含金屬絲的織物制成的。高壓輸電線上方還有兩條導(dǎo)線，它們與大地相連，形成一個(gè)稀疏的金屬“網(wǎng)”，把高壓線屏蔽起來(lái)，以免遭雷擊。

模型應(yīng)用2：尖端放電

提出問(wèn)題：前面我們通過(guò)理論分析得出了靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體電荷分布在外表面，即導(dǎo)體內(nèi)部?jī)綦姾蔀榱恪Ｎ覀兡芊裢ㄟ^(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證呢？這些電荷在外表面是均勻分布的嗎？你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)檢驗(yàn)探究電荷的分布情況？

提出實(shí)驗(yàn)方案：利用帶有絕緣手柄的金屬球，分別與金屬空腔內(nèi)壁及外表面的不同部位接觸，再與驗(yàn)電的金屬球接觸，觀察金屬鉑片是否張開及張開的角度大?。▓D2方案1）。

提出問(wèn)題：該方案確實(shí)能夠檢驗(yàn)金屬空腔的電荷分布情況，但需進(jìn)行多次操作。在多次的接觸檢驗(yàn)過(guò)程中，金屬空腔的帶電量減少，導(dǎo)致金屬鉑片的張角變小，影響對(duì)電荷分布狀況的分析。能否對(duì)上述方案進(jìn)行改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)更加簡(jiǎn)單、直觀？

方案改進(jìn)：直接將金屬鉑片貼在金屬空腔的內(nèi)壁、外表面的平坦部位及外表面的尖端部位（鐵釘），利用感應(yīng)起電機(jī)使金屬空腔帶電后，觀察各金屬鉑片張開的角度（圖2方案2）。

圖2

現(xiàn)象：金屬腔內(nèi)壁金屬鉑片不張開，外表面兩組鉑片均張開，且尖端部位金屬鉑片張角較大。

歸納總結(jié)：靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有凈余電荷，電荷分布在導(dǎo)體的外表面，并且導(dǎo)體外表面越尖銳的位置，電荷的密度越大。

過(guò)渡：尖端部位電荷密度大會(huì)引起什么樣的結(jié)果呢？我們先來(lái)觀察一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。利用馬克思發(fā)生器形成高壓脈沖來(lái)模擬自然界的閃電現(xiàn)象。

演示實(shí)驗(yàn)3：模擬閃電的危害

在兩金屬極板間放入用亞克力板制作而成的“房子”，再在房子中間放入蘸有酒精的棉花，打開開關(guān)，高壓產(chǎn)生的“閃電”使棉花燃燒。在房子中間放入通電的LED燈珠，打開開關(guān)，“閃電”使燈珠熄滅。

提出問(wèn)題：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們觀察到閃電的危害很大，如何才能避免雷擊呢？

演示實(shí)驗(yàn)4：模擬避雷針的作用

在兩金屬板間再加入一根由銅絲制成的避雷針，打開開關(guān)，觀察到只在避雷針和“云層”之間發(fā)生放電，房屋得到了保護(hù)。（見圖3）

圖3

提出問(wèn)題：為什么放入避雷針后，“閃電”不再擊中房屋而總是打在避雷針上呢？觀察生活中的避雷針，它有什么樣的特點(diǎn)？

多媒體動(dòng)畫演示：尖端放電的實(shí)質(zhì)——空氣電離。

聯(lián)系生活實(shí)際：舉例尖端放電在生活中的現(xiàn)象及應(yīng)用。

（1）避雷針：多媒體展示各種形狀的避雷針。

（2）電子點(diǎn)火器：煤氣灶、打火機(jī)。

（3）高壓輸電線的表面要打磨得非常光滑。

（4）干燥的冬天不要用手指尖去觸碰金屬把手。

3.拓展應(yīng)用聯(lián)系生活

通過(guò)多媒體播放空氣污染及工廠煙囪排放有毒有害氣體的圖片，提出問(wèn)題：煙囪中排放的氣體含有大量的細(xì)顆粒物，它能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，是造成空氣污染的重要原因，危害人類的身體健康。我們有必要對(duì)排放在空氣中的細(xì)顆粒物進(jìn)行處理。說(shuō)說(shuō)你有什么樣的方案。

學(xué)生提出方案：利用細(xì)密的金屬網(wǎng)罩、吸塵器等，并對(duì)方案的可行性做出評(píng)價(jià)。

通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你能否利用以下資料設(shè)計(jì)和制作一個(gè)簡(jiǎn)易的除塵裝置？

資料1：空氣在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生電離，電離后的正離子質(zhì)量較大，不容易被塵埃吸收，而電離后的自由電子質(zhì)量小，容易被塵埃吸收。

資料2：強(qiáng)電場(chǎng)可以由高壓來(lái)產(chǎn)生。

設(shè)計(jì)制作一個(gè)除塵裝置難度較大，搭建問(wèn)題階梯，用一個(gè)個(gè)小問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生逐步完善設(shè)計(jì)方案。

問(wèn)題1：是否可以在煙囪內(nèi)設(shè)置一個(gè)高壓電場(chǎng)，使空氣電離？利用靜電除塵？

問(wèn)題2：如何形成高壓電場(chǎng)？?jī)蓸O板用什么材料？

問(wèn)題3：空氣電離后塵埃帶什么電？

問(wèn)題4：帶電的塵埃如何運(yùn)動(dòng)？最終會(huì)吸附在哪個(gè)極板上？

問(wèn)題5：負(fù)極板是否起到了吸附的作用？如何提高裝置的吸附效果？

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和物理知識(shí)，在教師的引導(dǎo)下解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

教師展示書本中的靜電除塵裝置原理圖（見圖4），學(xué)生觀察該原理圖有何特點(diǎn)，并思考是否可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)大吸附面積。

圖4

學(xué)生：可以在煙囪中間放置一根金屬棒，煙囪內(nèi)壁放置金屬板，使金屬棒帶負(fù)電，金屬板帶正電，使吸附面積最大化。

成果展示：教師點(diǎn)燃煙餅放入除塵裝置底部，產(chǎn)生大量的煙霧。接通高壓電源后，煙霧瞬間消失。除塵效果明顯。

四、結(jié)語(yǔ)

STEAM教育體現(xiàn)了融合思想，關(guān)注實(shí)際的現(xiàn)象與問(wèn)題，相對(duì)于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，其更能體現(xiàn)“培養(yǎng)全面發(fā)展的人才”的時(shí)代要求。本文嘗試將STEAM教育理念融入課堂進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為其他教師開展STEAM教學(xué)提供參考。