基于STEAM的綜合實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施
——以偽全息“金字塔”設(shè)計(jì)為例

陳虹尹，李貴安*，李鴻彬，余 洋，劉江藝

1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，西安 710119

2.南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，南京 210008

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出：要有效實(shí)施跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，為學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)踐的機(jī)會(huì)。綜合實(shí)踐活動(dòng)能踐行“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與素質(zhì)［1］。

在《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》的指引下，綜合實(shí)踐活動(dòng)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面取得了一定的成效。然而，在實(shí)踐中依然出現(xiàn)表層化實(shí)踐和忽視育人的不足［2］。

為充分發(fā)揮綜合實(shí)踐活動(dòng)的育人價(jià)值，以STEAM教育理念為指導(dǎo)，結(jié)合新課標(biāo)關(guān)于跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)提示，以設(shè)計(jì)偽全息“金字塔”課題為例，將該課題分為三個(gè)階段，每階段包含兩個(gè)環(huán)節(jié)。在教學(xué)中，以綜合性問(wèn)題推動(dòng)學(xué)生實(shí)施課題，強(qiáng)調(diào)活動(dòng)的開(kāi)放性，給予學(xué)生拓展研究的自主權(quán)；重視評(píng)價(jià)主體的多元性；此外，教師還需啟發(fā)學(xué)生積極思考，將創(chuàng)新思想貫穿始終［3］。以期促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，為綜合實(shí)踐活動(dòng)的深層實(shí)踐提供典型案例。

1 教學(xué)背景

通過(guò)分析“蘇科版”物理八年級(jí)上冊(cè)教材，學(xué)生已掌握光的反射以及平面鏡成像的原理和規(guī)律。但學(xué)生對(duì)這些知識(shí)在生活中的應(yīng)用了解較少，除了書(shū)上提及的潛望鏡、汽車后視鏡等，難以列舉出其他具體的實(shí)例。以制作偽全息“金字塔”為例，基于STEAM教育理念設(shè)計(jì)并開(kāi)展以物理學(xué)科為本位的綜合實(shí)踐活動(dòng)。

2 教學(xué)理念與目標(biāo)

“科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)”（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathematics，簡(jiǎn)稱STEAM）教育是美國(guó)格雷特·亞克門（Georgette Yakman）教授及其團(tuán)隊(duì)在STEM教育的基礎(chǔ)上提出的。STEAM教育以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，從工程和藝術(shù)的角度解讀科學(xué)和技術(shù)，以跨學(xué)科的理念整合不同科目，為現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展提供優(yōu)秀的人力資源支持［4］，與綜合實(shí)踐活動(dòng)的理念不謀而合。因此，可以借鑒STEAM教育理念做好綜合實(shí)踐活動(dòng)［5］，如表1所示。

表1 活動(dòng)模式和STEAM學(xué)科目標(biāo)

3 教學(xué)內(nèi)容與過(guò)程

3.1 課題動(dòng)員與準(zhǔn)備階段

3.1.1 引入——提出問(wèn)題、激發(fā)興趣

（1）展示相關(guān)情境：播放2013年周杰倫與鄧麗君“穿越時(shí)空”的對(duì)唱視頻。30年前的鄧麗君為何能在舞臺(tái)上再現(xiàn)并與周杰倫合唱？播放2015年春晚的節(jié)目《蜀繡》。李宇春如何做到與多個(gè)自己共舞？展示舞臺(tái)魔術(shù)表演“佩珀?duì)柣孟蟆保≒epper’s Ghost）（圖1）：右上角的“幽靈”從何而來(lái)？

圖1 舞臺(tái)上的“幽靈”［6］

（2）分小組討論：①圖1涉及哪些光學(xué)原理？②圖1的光路圖如何繪制？③透明玻璃與水平面的夾角為多少？

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生興趣，引起學(xué)生思考。

3.1.2 設(shè)計(jì)——理論分析、設(shè)計(jì)方案

（1）理論分析：如圖2所示，右下角視野外的演員被一束強(qiáng)光照射，而后光線經(jīng)平面鏡反射到透明玻璃，將會(huì)有約10%的光線被透明玻璃反射，從而射向觀眾。在透明玻璃與水平面的夾角為45°的情況下，觀眾能夠觀察到舞臺(tái)上豎直站立的“幽靈”。又由于環(huán)境相對(duì)昏暗，觀眾便以為自己觀察到的“幽靈”是真實(shí)存在的，再加上反射光線微弱，便實(shí)現(xiàn)了“幽靈”影像的朦朧感。

圖2 “佩珀?duì)柣孟蟆保≒epper’s Ghost）詳解

（2）思考設(shè)計(jì)：若要各個(gè)方向都能觀察到“豎直”的像，如何設(shè)計(jì)方案？

（3）設(shè)計(jì)方案：為了便于操作，利用視頻文件替代實(shí)物。如果有四個(gè)不同方向且與水平面成45°夾角的透明玻璃同時(shí)成“像”，則各個(gè)方向均能觀察到立體“像”。因此，可把四個(gè)完全相同的等腰三角形組合在一起，形成圖3的“金字塔”狀。同時(shí)，視頻文件播放圖4的畫(huà)面，用以增強(qiáng)“像”的立體感。

圖3 側(cè)邊為等腰三角形的幾何體

圖4 視頻文件示例

（4）分小組討論：幾何體側(cè)面等腰三角形底與邊的比值關(guān)系。初中生學(xué)過(guò)勾股定理，但尚未接觸立體幾何，需要教師引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)幾何體中的特殊三角形，以便求解。經(jīng)分析可得，幾何體側(cè)面等腰三角形底與邊的比值關(guān)系為

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)明確了活動(dòng)課題為制作偽全息“金字塔”。通過(guò)將實(shí)際情境與光學(xué)知識(shí)相聯(lián)系，可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解釋綜合性問(wèn)題的能力。除此之外，注重技術(shù)（T）的使用，運(yùn)用幾何畫(huà)板繪制幾何體；以舞臺(tái)藝術(shù)（A）為背景分析情境；等腰三角形底邊關(guān)系的求解則運(yùn)用了立體問(wèn)題平面化、勾股定理等數(shù)學(xué)（M）知識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分整合了科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)和數(shù)學(xué)。

3.2 課題實(shí)施階段

3.2.1 工程——STEAM分析、成品制作

（1）科學(xué)（S）：偽全息“金字塔”的設(shè)計(jì)與制作涉及光的反射、平面鏡成像原理等物理知識(shí)。教師還可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究影響成像效果的因素。

（2）數(shù)學(xué)（M）：①偽全息“金字塔”側(cè)面等腰三角形底與邊的比值關(guān)系為；②如何在坐標(biāo)紙上準(zhǔn)確地畫(huà)出該類等腰三角形？

（3）技術(shù)（T）：學(xué)生可利用幾何畫(huà)板繪制等腰三角形模型。

（4）工程（E）：①如何選擇合適的材料？為確保操作的便捷和較佳的成像，透明物體可選取21 cm×30 cm的透明PVC薄片；②偽全息“金字塔”側(cè)面等腰三角形尺寸為多少合適（教師啟發(fā)學(xué)生結(jié)合屏幕寬度確定尺寸）；③制作成品：將4個(gè)裁剪好的等大等腰三角形用膠帶粘貼在一起（圖5）；④學(xué)生在使用上述成品觀察偽全息影像時(shí)，發(fā)現(xiàn)偽全息“金字塔”倒放不穩(wěn)定，如何改進(jìn)？通過(guò)教師引導(dǎo)，學(xué)生可制作一個(gè)簡(jiǎn)易支架，同時(shí)將視頻文件中的物體由圖 6（a）改動(dòng)為圖 6（b），其成品如圖6（c），穩(wěn)固和易觀察二者兼顧。

圖5 學(xué)生制作成品圖

（5）藝術(shù)（A）：成品制作完成后，呈現(xiàn)的偽全息影像似真似幻，如圖6（d）所示。學(xué)生還需填寫STEAM教育過(guò)程卡，展現(xiàn)本組活動(dòng)思路與成果。

圖6 視頻文件的改動(dòng)和簡(jiǎn)易支架成品

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)以小組合作為主，教師指導(dǎo)為輔。學(xué)生自主進(jìn)行成品制作并不斷改進(jìn)。體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生自主性和教師啟發(fā)性的注重。并且充分展現(xiàn)了“設(shè)計(jì)—實(shí)施—改進(jìn)—再實(shí)施—再改進(jìn)”的工程思維。同時(shí)，在成品制作過(guò)程中包含科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)的綜合應(yīng)用，體現(xiàn)了問(wèn)題解決的綜合性。

3.2.2 深入——思維拓展、深入研究

拓展任務(wù)：①為何稱之為“偽全息”？②是否有其他方法增強(qiáng)成像效果？③目前的全息投影技術(shù)有哪些？分別是如何實(shí)現(xiàn)的？④關(guān)于“佩珀?duì)柣孟蟆保≒epper’s Ghost）生活中是否還有其他應(yīng)用？

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)通過(guò)設(shè)置4個(gè)任務(wù)點(diǎn)進(jìn)行拓展，將本次課題與學(xué)生生活緊密聯(lián)系起來(lái)，注重問(wèn)題的綜合性和活動(dòng)的開(kāi)放性。學(xué)生可以自由選擇問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)小組合作與分工，體現(xiàn)對(duì)學(xué)生自主性的重視。

3.3 課堂小結(jié)與評(píng)價(jià)階段

3.3.1 評(píng)價(jià)——匯報(bào)交流、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

學(xué)生成品制作完成后，在匯報(bào)交流課上從不同方面展示小組成果，相互學(xué)習(xí)；由各小組評(píng)分員對(duì)本組和其他小組的匯報(bào)展開(kāi)自評(píng)、他評(píng)；由三位教師進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)維度如表2所示。根據(jù)評(píng)分結(jié)果，遴選出優(yōu)秀小組，組內(nèi)選出優(yōu)秀小組長(zhǎng)和最佳貢獻(xiàn)成員。

表2 綜合實(shí)踐活動(dòng)評(píng)價(jià)表

設(shè)計(jì)意圖：匯報(bào)內(nèi)容和形式契合STEAM教育理念的跨學(xué)科性。

3.3.2 小結(jié)——教師總結(jié)、啟發(fā)思考

學(xué)生匯報(bào)交流后，由教師對(duì)整個(gè)綜合實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行回顧與總結(jié)。在活動(dòng)形式上，以小組合作為主，教師簡(jiǎn)要梳理各組活動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題并給出建議，強(qiáng)調(diào)組內(nèi)相互學(xué)習(xí)、組間合作競(jìng)爭(zhēng)。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)注重教師對(duì)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的啟發(fā)引導(dǎo)，將人文藝術(shù)（A）與實(shí)踐活動(dòng)充分整合，推動(dòng)學(xué)生的再拓展。

4 總結(jié)

本綜合實(shí)踐活動(dòng)以偽全息“金字塔”為主題，以STEAM教育理念為指導(dǎo)，分為課題動(dòng)員與準(zhǔn)備階段、課題實(shí)施階段和課堂小結(jié)與評(píng)價(jià)階段。整個(gè)活動(dòng)過(guò)程注重問(wèn)題的綜合性、活動(dòng)的開(kāi)放性、學(xué)生的自主性、評(píng)價(jià)的多元性、教師的啟發(fā)性。在核心素養(yǎng)發(fā)展方面，注重學(xué)生聯(lián)系、分析、解釋等知識(shí)運(yùn)用與思維能力的培養(yǎng)。鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造、大膽質(zhì)疑，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件、查詢資料等各類技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。注重匯報(bào)交流時(shí)語(yǔ)言表達(dá)能力的培養(yǎng)。