從STEAM教育到初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)

林曉

摘? 要：STEAM課程與“跨學(xué)科實(shí)踐”活動(dòng)理念存在許多一致性，都強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中綜合認(rèn)知所涉及的知識(shí)，在真實(shí)的情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題?！皼_浪紙飛機(jī)”是中小學(xué)常見的STEAM課程，從2022年物理課標(biāo)出發(fā)對其重新設(shè)計(jì)，使其成為立足于物理學(xué)科的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。

關(guān)鍵詞：沖浪紙飛機(jī)；STEAM課程；跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)

STEAM課程，是指由科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科共同構(gòu)成的跨學(xué)科課程。它強(qiáng)調(diào)知識(shí)跨界、場景多元、問題生成、批判建構(gòu)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，既體現(xiàn)出課程綜合化、實(shí)踐化、活動(dòng)化的諸多特征，又反映了課程回歸生活、回歸社會(huì)、回歸自然的本質(zhì)訴求[ 1 ]。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)2022版》（以下簡稱《2022課標(biāo)》）在課程內(nèi)容中增加了一級主題“跨學(xué)科實(shí)踐”。該主題包含“物理學(xué)與日常生活”“物理學(xué)與工程實(shí)踐”“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”三個(gè)二級主題。 這部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)旨在發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科應(yīng)用知識(shí)的能力、分析和解決問題的綜合能力、動(dòng)手操作的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生積極認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度和樂于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的精神[ 2 ]。

1? STEAM課程與跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)一致性

STEAM課程與“跨學(xué)科實(shí)踐”都包含跨學(xué)科活動(dòng)，理念存在許多一致性。兩種課程都強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中綜合認(rèn)知所涉及的知識(shí)，在真實(shí)、綜合的情境中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。教師為學(xué)生設(shè)立的任務(wù)多源自生活或工程，涉及多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，各種物理、非物理的因素常常交織在一起。

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)存在局限性，實(shí)驗(yàn)過程經(jīng)過教師加工，過濾了干擾因素，以純粹形式進(jìn)行。學(xué)生明確探究的問題在某個(gè)單元，觀察的重點(diǎn)與研究方法均已設(shè)定，學(xué)生學(xué)習(xí)中形成的實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)思維等核心素養(yǎng)局限于物理本學(xué)科。然而，學(xué)生在STEAM與“跨學(xué)科實(shí)踐”活動(dòng)中面對的問題沒有學(xué)科限定，更沒有單元設(shè)定，在任務(wù)目標(biāo)指引下學(xué)生面對的問題層出不窮，學(xué)生在解決問題過程中需要對自身已有的知識(shí)體系拆散組合，形成新任務(wù)的知識(shí)體系。學(xué)生在整合新知識(shí)體系的過程中，對學(xué)生鞏固舊知識(shí)，認(rèn)識(shí)新知識(shí)，培養(yǎng)評價(jià)、創(chuàng)新等高階思維，形成關(guān)鍵能力影響深遠(yuǎn)。

2? STEAM課程與跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)不同點(diǎn)

2.1? 出發(fā)點(diǎn)不同

STEAM課程是隨著社會(huì)發(fā)展，為適應(yīng)紛繁復(fù)雜工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要，突出培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力而產(chǎn)生的課程。而“跨學(xué)科實(shí)踐”課程是《2022課標(biāo)》中的一個(gè)主題，這決定了課程目標(biāo)是依據(jù)核心素養(yǎng)及學(xué)生身心發(fā)展特點(diǎn)，體現(xiàn)育人價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[ 2 ] 2。

2.2? 課時(shí)安排不同

“跨學(xué)科實(shí)踐”課程占物理總課時(shí)的10%，這就決定了“跨學(xué)科實(shí)踐”課程內(nèi)容立足于物理本學(xué)科，難度及復(fù)雜程度應(yīng)與學(xué)情、校情相符。STEAM課程沒有這方面的限制，有的需要較長時(shí)間學(xué)習(xí)與制作。如：“機(jī)器人”類課程集合了編程、自動(dòng)化、傳感器、機(jī)械安裝等內(nèi)容，綜合性很強(qiáng)，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和動(dòng)手能力方面效果很好，但這類課程內(nèi)容復(fù)雜，完成時(shí)間長，成本高，不適合課堂教學(xué)推廣。

2.3? 內(nèi)容不同

《2022課標(biāo)》明確了跨學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)容。有些直接來自于課本內(nèi)容，如：了解新材料的特點(diǎn)及應(yīng)用。有些與學(xué)生成長息息相關(guān)，如：能用物理及其他學(xué)科知識(shí)解釋與健康、安全等有關(guān)的日常生活問題。有些培養(yǎng)學(xué)生家國情懷，如：了解我國古代科技，了解我國科技發(fā)展的成就，增強(qiáng)科技強(qiáng)國的責(zé)任感與使命感[ 2 ] 34-36。雖然學(xué)校可以從校本角度選擇不同情境的素材，但素材內(nèi)容需要符合課標(biāo)要求，不增加學(xué)生負(fù)擔(dān)。STEAM課程傳入中國多年，教育工作者開發(fā)了許多相關(guān)課程，形成眾多優(yōu)秀的課程體系。如：機(jī)器人類、工程機(jī)械類、自動(dòng)化控制類等，并非所有課程都符合《2022課標(biāo)》跨學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)容要求。

STEAM作為一種重實(shí)踐的教育理念，孕育了許多優(yōu)秀的課程資源，在培養(yǎng)孩子的綜合素養(yǎng)方面成效斐然?？鐚W(xué)科實(shí)踐活動(dòng)作為《2022課標(biāo)》新增內(nèi)容，可以借鑒STEAM教育資源，設(shè)計(jì)符合義務(wù)教育階段開展的課程。

筆者以航空模型中的非遙控類飛行器“沖浪紙飛機(jī)”為例，闡述從STEAM課程到跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的幾點(diǎn)思考，以期讓跨學(xué)科實(shí)踐從選題到過程設(shè)計(jì)，能吸收STEAM教育中優(yōu)秀成果，為學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，為教師開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)提供參考。

3? 沖浪紙飛機(jī)

3.1? 項(xiàng)目選擇

航空模型大體可以分為遙控類與非遙控類。遙控類如：多軸無人機(jī)、直升機(jī)、遙控固定翼飛機(jī)等。非遙控類多為各類自由滑翔機(jī)。遙控類模型一般是成品組裝，制作方面收獲較少，更多是收獲操控的樂趣。有一種花式特技模型（F3P）與STEAM理念相符，用密度小的發(fā)泡板材切割后組裝而成，加工方便，學(xué)生可以自由設(shè)計(jì)模型，從結(jié)構(gòu)受力分析、動(dòng)力配置、電路安排到外觀美化均能體現(xiàn)學(xué)生綜合分析能力和創(chuàng)新意識(shí)，但該項(xiàng)目復(fù)雜且具危險(xiǎn)性，不適合作為校內(nèi)課程。

非遙控類的各式飛行器適合作為中學(xué)STEAM課程。該類飛行器出手后不再操控，就要求所有的問題需要在出手前給予解決。諸如空氣動(dòng)力外形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制作精度、飛行空域氣象條件、起飛狀態(tài)等問題，都要求學(xué)生周到考慮并解決。地上的每一個(gè)不認(rèn)真造成的錯(cuò)誤都會(huì)在離手后的飛行中暴露，甚至造成墜機(jī)結(jié)果。因此，此類課程在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真科學(xué)態(tài)度和有責(zé)任擔(dān)當(dāng)良好品格方面，是優(yōu)良的課程資源。

“沖浪紙飛機(jī)”是適合初學(xué)者的一種非遙控飛行器，制作簡單、拓展空間大，這類型STEAM課程適合改造后設(shè)計(jì)成跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)課程。圖1是市面上常見的一款“沖浪紙飛機(jī)”，其材料采用輕薄的紙，經(jīng)過裁剪折疊制作成飛翼布局紙飛機(jī)。學(xué)生先將紙飛機(jī)向前擲出，再在后方用平板以合適角度跟進(jìn)，紙飛機(jī)在上升氣流作用下保持平飛狀態(tài)。飛行原理類似于沖浪運(yùn)動(dòng)，所以命名為沖浪紙飛機(jī)。

3.2? STEAM課程設(shè)計(jì)——“沖浪紙飛機(jī)”

現(xiàn)從STEAM理念出發(fā)分析該課程設(shè)計(jì)意圖，如表1。

“沖浪紙飛機(jī)”項(xiàng)目外觀看似簡單，制作也不復(fù)雜，但它屬于小制作大智慧。該項(xiàng)目在小學(xué)階段是一個(gè)簡單的以手工和飛行為主的綜合實(shí)踐課程，但在初中階段，學(xué)生思想和行為越發(fā)理性，教師備課應(yīng)在學(xué)生能力可能達(dá)到的區(qū)間盡量開發(fā)項(xiàng)目教育價(jià)值，STEAM理念在這方面有成熟體系。教師從STEAM理念出發(fā)進(jìn)行多維度設(shè)計(jì)課程，挖掘拓展項(xiàng)目資源的內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)課程育人功能最大化。

3.3? ?《2022課標(biāo)》跨學(xué)科實(shí)踐—“沖浪飛機(jī)”

“沖浪紙飛機(jī)”項(xiàng)目是優(yōu)良的STEAM課程，現(xiàn)從《2022課標(biāo)》理念出發(fā)對“沖浪紙飛機(jī)”項(xiàng)目進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使之符合跨學(xué)科實(shí)踐課程要求，具體變化如下。

3.3.1 材料：紙→塑料泡沫

《2022課標(biāo)》要求跨學(xué)科實(shí)踐結(jié)合實(shí)例了解新材料的特點(diǎn)及其應(yīng)用，了解新材料的研發(fā)與應(yīng)用對社會(huì)發(fā)展的影響[ 2 ] 35 ?！皼_浪紙飛機(jī)”課程使用套材提供的紙，該紙密度小，很輕薄，但生活中不常見。隨著科技發(fā)展，航空材料不斷迭代更新，由最初木材、鋁合金到復(fù)合材料、鈦合金等材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用，該過程見證了社會(huì)科技水平的進(jìn)步。若課中材料由商品套材提供而不是學(xué)生自主尋找，則會(huì)影響課程價(jià)值。教師可以讓學(xué)生課前了解航空材料發(fā)展史，未來發(fā)展方向及生活中與之相關(guān)的產(chǎn)品（羽毛球拍、釣魚竿、自行車、高鐵動(dòng)車等），認(rèn)識(shí)密度、彈性、硬度、耐熱、抗疲勞等材料性質(zhì)，形成調(diào)查報(bào)告。課中教師讓學(xué)生討論身邊可能作為制作飛機(jī)的材料，再推出物流包裝常用的泡沫塑料。學(xué)生基于課前了解，課中討論方向明確，課堂教學(xué)效率可以獲得提高。教學(xué)設(shè)計(jì)增加材料選擇，讓學(xué)生在日常生活中發(fā)現(xiàn)物理，了解物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)《2022課標(biāo)》理念落地。

3.3.2 材料加工：折疊→熱切割+裁剪

套材“沖浪紙飛機(jī)”將紙折疊成飛翼形狀，過程主要體現(xiàn)手工技術(shù)，與物理觀念關(guān)聯(lián)不多。泡沫塑料加工過程相對復(fù)雜，在學(xué)生認(rèn)知中普遍認(rèn)為用刀、鋸或銼刀進(jìn)行冷加工。然而“沖浪飛機(jī)”要提高飛行成績，就需要降低翼載荷，即為了減重機(jī)翼需要切割得很薄，1 mm以下，這么薄的厚度冷切割完成不了。解決加工難題，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維很好的機(jī)會(huì)。實(shí)踐活動(dòng)中采用如圖2所示裝置進(jìn)行加工，通過調(diào)節(jié)電阻絲與絕緣板之間距離，可以切割出0.5 mm厚的泡沫塑料板。

熱切割方法與物理觀念緊密聯(lián)系，學(xué)生學(xué)習(xí)過電流熱效應(yīng)，利用電阻絲發(fā)熱熔化泡沫塑料。為了提高切割速度，根據(jù)焦耳定律，可以增加電壓增大電流。但電壓過大可能導(dǎo)致電源過載“跳閘”。電阻絲選擇橫截面積不同的合金絲，細(xì)的電阻絲電阻大，切割時(shí)的壓強(qiáng)大，但過細(xì)容易斷。因此需要在實(shí)踐中尋找最佳搭配。學(xué)生選擇合理配置的過程，也是物理觀念應(yīng)用的過程。

“沖浪飛機(jī)”項(xiàng)目中還有幾處與《2022課標(biāo)》中課程內(nèi)容相關(guān)。如：①電熱絲加熱后由于熱膨脹會(huì)變長，可以通過先通電再固定電熱絲予以解決。②切割過程會(huì)產(chǎn)生塑料細(xì)絲，類似糖漿拔絲，這說明塑料是非晶體，熔化過程逐漸變軟，沒有固定熔點(diǎn)。③電阻絲固定在平整且硬度合適的絕緣板上，實(shí)踐中使用4 mm厚環(huán)氧樹脂玻璃纖維絕緣板，這是電工常用的材料，硬度好而且表面光滑摩擦力小。④電阻絲選擇在初中電學(xué)要求范圍內(nèi)，教師提供“0.15 mm（直徑） 61 Ω/m、0.2 mm 35 Ω/m、0.25 mm 22 Ω/m、0.3 mm 15 Ω/m”或其他規(guī)格的鎳鉻合金電阻絲讓學(xué)生選擇，學(xué)生結(jié)合參數(shù)計(jì)算電路安全性，選擇合理配置。還可以讓學(xué)生從能量觀和變阻器安全方面思考，能否用滑動(dòng)變阻器進(jìn)行限流調(diào)制。

在泡沫塑料熱加工過程會(huì)不斷地出現(xiàn)意想不到的問題，這是將物理放置于跨學(xué)科活動(dòng)中必然會(huì)遇到的，這也正是跨學(xué)科活動(dòng)的魅力。在《2022課標(biāo)》要求的范圍內(nèi)，利用物理觀念在實(shí)踐中解決問題，對科學(xué)思維和科學(xué)探究能力也是鍛煉提升的機(jī)會(huì)。

3.3.3 外形：飛翼→開放設(shè)計(jì)

有了理想泡沫塑料薄板，學(xué)生根據(jù)飛鳥、昆蟲或航空器進(jìn)行設(shè)計(jì)“沖浪飛機(jī)”，由于初中階段對飛行器設(shè)計(jì)原理不做要求，學(xué)生以模擬設(shè)計(jì)為主，教師再使用配重調(diào)整重心和舵面調(diào)整俯仰兩方面進(jìn)行指導(dǎo)。圖3是一個(gè)仿生“沖浪蝴蝶”，配重設(shè)計(jì)非常巧妙，用密度大的細(xì)銅絲做成蝴蝶觸角，兼具配重和防撞功能，而且配重還與整體設(shè)計(jì)融為一體。觸角下彎及翅膀折出上反角均是為了降低重心增加飛行穩(wěn)定性。蝴蝶尾部留有可調(diào)節(jié)的舵面。翅膀模仿我國傳統(tǒng)風(fēng)箏圖案進(jìn)行彩繪，體現(xiàn)傳統(tǒng)文化中人與自然和諧的美。這些設(shè)計(jì)理念與STEAM教育理念相同，整體設(shè)計(jì)達(dá)到藝術(shù)與科學(xué)、技術(shù)融合，同時(shí)也是對《2022課標(biāo)》中培養(yǎng)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展，增強(qiáng)文化自信要求的呼應(yīng)。

3.3.4 評價(jià)：飛行數(shù)據(jù)→靜態(tài)外觀+飛行數(shù)據(jù)

《2022課標(biāo)》指出學(xué)習(xí)評價(jià)以學(xué)生發(fā)展為本，以素養(yǎng)為導(dǎo)向，要發(fā)揮評價(jià)的育人功能?？鐚W(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的評價(jià)應(yīng)具有綜合性、實(shí)踐性、開放性[ 2 ] 44 。 “沖浪紙飛機(jī)”以留空飛行時(shí)間與最后撞擊靶標(biāo)的精準(zhǔn)度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，飛行成績可以客觀反映出制作過程與控制飛機(jī)技巧水平高低。但評價(jià)只用飛行成績單一呈現(xiàn)，不夠全面。影響飛行的因素很多，人員緊張、體能、環(huán)境氣流都有可能成為影響因素，還有部分學(xué)生藝術(shù)水平高，外觀彩繪很美，也需要給予肯定，因此構(gòu)建多樣評價(jià)方式是必要的。 在“沖浪飛機(jī)”項(xiàng)目中使用飛行成績與過程性評價(jià)相結(jié)合，具體評價(jià)如表2。

熱切割工藝體現(xiàn)學(xué)生對物理觀念的應(yīng)用，是制作紙飛機(jī)關(guān)鍵難點(diǎn)，是過程性評價(jià)重要環(huán)節(jié)。優(yōu)秀的作品離不開良好的外觀，外觀精細(xì)程度可以反映學(xué)生制作工藝水平，設(shè)置外觀藝術(shù)分可以促進(jìn)學(xué)生對美的追求。飛行環(huán)節(jié)設(shè)置兩個(gè)項(xiàng)目目的是增加飛行評價(jià)多元性?！皼_浪飛機(jī)”由于翼載荷小，飛行速度慢，在室外飛行容易受風(fēng)影響，應(yīng)選擇風(fēng)速小的時(shí)段進(jìn)行。通過實(shí)地感受室外氣流不確定性，在教學(xué)中讓學(xué)生思考當(dāng)?shù)赝ǔＪ裁磿r(shí)段風(fēng)速最小，上升氣流什么時(shí)段容易出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐活動(dòng)與地理跨學(xué)科融合。

以上是對STEAM課程“沖浪紙飛機(jī)”項(xiàng)目進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的過程，目的是為了使其符合《2022課標(biāo)》要求。在課時(shí)安排中，可以先完成套材“沖浪紙飛機(jī)”項(xiàng)目，再以開放的教學(xué)模式進(jìn)行“泡沫塑料飛機(jī)”跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。這樣安排有助于學(xué)生先熟悉沖浪飛機(jī)原理，使學(xué)生認(rèn)知狀態(tài)處于活躍期，從而有助于在后面的實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程從被組織狀態(tài)向自組織狀態(tài)轉(zhuǎn)變[ 3 ]。

STEAM課程與《2022課標(biāo)》中的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)均對促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，形成核心素養(yǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的積極作用，二者沒有優(yōu)劣之分，只是課程設(shè)計(jì)立足點(diǎn)不同。立足于初中物理學(xué)科的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)在《2022課標(biāo)》中首次單獨(dú)作為一級主題提出，課程設(shè)計(jì)充滿開放性，一線教師利用STEAM課程資源中成熟的案例以校為本進(jìn)行開發(fā)，必然會(huì)設(shè)計(jì)出更多的課程資源。

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