如何在高中物理課堂融入STEAM教育

摘 要：STEAM教育是一種融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育.其在拓展學(xué)生視野，鍛煉學(xué)生綜合能力上有著顯著作用，因此，STEAM教育近年來受到人們的廣泛關(guān)注.物理是高中階段的重要課程之一，如何在高中物理課堂中融入STEAM教育，激發(fā)出物理課堂的活力，進(jìn)一步提高物理教學(xué)效率，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，是一線教師廣泛討論的問題.本文結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，探討STEAM教育的融入策略，以供參考.

關(guān)鍵詞：高中物理；STEAM教育；教學(xué)策略

中圖分類號：G632?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）21-0062-03

收稿日期：2023-04-25

作者簡介：林德棋（1982.11-），男，福建省莆田人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

物理知識在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中在科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)中都能看到物理知識的身影.高中物理教學(xué)中，為提高學(xué)生運(yùn)用物理知識解決問題的綜合能力，教師應(yīng)認(rèn)識到開展STEAM教育的必要性，結(jié)合高中物理學(xué)科特點(diǎn)以及具體教學(xué)內(nèi)容做好融入活動研究，將STEAM教育融入到教學(xué)活動的各個(gè)環(huán)節(jié)中，保證教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，給學(xué)生帶來潛移默化的影響，更好地拓展學(xué)生視野，鍛煉學(xué)生能力.

1 融入新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)

新課導(dǎo)入是高中物理教學(xué)活動展開的重要環(huán)節(jié).高中物理教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)將STEAM教育融入到新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，為展開一堂精彩紛呈的物理課奠定基礎(chǔ).“科學(xué)”是STEAM教育的重要組成部分.物理學(xué)科本身具備“科學(xué)”屬性，因此，物理知識教學(xué)是STEAM教育的具體體現(xiàn)［1］.認(rèn)識到這一點(diǎn)，教師可做好教學(xué)前各項(xiàng)準(zhǔn)備，認(rèn)真收集與科學(xué)相關(guān)的素材，包括各種圖片、科普視頻等，在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)進(jìn)行展示、播放，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，自然地引入新課［2］.

天舟系列貨運(yùn)飛船，主要為中國空間站在軌運(yùn)行期間提供補(bǔ)給支持.2022年5月10日，天舟四號貨運(yùn)飛船成功發(fā)射.若知道天舟四號距離地面高度h，地球表面的重力加速度為g，地球半徑為R，引力常量為G.將地球看做質(zhì)量均勻的球體，便可計(jì)算出地球的質(zhì)量M以及天舟四號的運(yùn)動周期T.你會計(jì)算嗎？如此設(shè)置懸念，能很好地吸引學(xué)生，驅(qū)使其積極地投入到“萬有引力定律及航天”新知識學(xué)習(xí)中.待學(xué)生完成萬有引力知識學(xué)習(xí)后，便不難計(jì)算新課導(dǎo)入時(shí)提出的問題.物體在地球表面受到的重力由萬有引力產(chǎn)生，設(shè)物體的質(zhì)量為m0，則有：GMm0R2=m0g，則M=gR2G；天舟四號圍繞地球的運(yùn)動可看做勻速圓周運(yùn)動，向心力有萬由引力提供，即，GMm（R+h）2=m4π2T2（R+h），由M=gR2G，可得T=2π（R+h）RR+hg.

高中物理新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師展示科學(xué)素材，設(shè)置懸念，不僅能引發(fā)學(xué)生好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的欲望，而且可使學(xué)生認(rèn)識到物理知識是科學(xué)學(xué)科的重要構(gòu)成部分，為物理知識的講解奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

2 融入知識講解環(huán)節(jié)

知識講解是高中物理教學(xué)活動的重要構(gòu)成部分，是學(xué)生獲取物理知識的關(guān)鍵環(huán)節(jié).“工程”學(xué)科知識在STEAM教育中占有重要地位，而且其與物理知識有交叉.在物理知識講解環(huán)節(jié)融入STEAM教育，不僅有助于學(xué)生理解、掌握物理知識，而且可給學(xué)生帶來深遠(yuǎn)影響［3］.

教學(xué)實(shí)踐中，為加深學(xué)生印象，教師可引導(dǎo)學(xué)生正確、靈活運(yùn)用物理知識分析一些工程的問題.在教師講解“圓周運(yùn)動”知識時(shí)，可使用多媒體技術(shù)為學(xué)生播放鐵路工程建設(shè)視頻.在視頻中為學(xué)生介紹列車的拐彎原理，使學(xué)生清晰地看到列車拐彎時(shí)車輪的受力情況，明確列車拐彎時(shí)的向心力有誰提供.同時(shí)，為使學(xué)生深入理解，靈活應(yīng)用，教師可在屏幕上展示以下問題：鐵路工程建設(shè)中，一轉(zhuǎn)彎處對應(yīng)的圓弧半徑為500 m，設(shè)計(jì)列車經(jīng)過該轉(zhuǎn)彎處的速度為72 km/h.若列車車頭的質(zhì)量為2×104kg，要求其在經(jīng)過轉(zhuǎn)彎處時(shí)，鐵軌對車輪沒有側(cè)向彈力，則路基傾角的正切值為多大？列車車頭轉(zhuǎn)彎可近似看成圓周運(yùn)動.

該問題以鐵路工程為背景，檢驗(yàn)學(xué)生對圓周運(yùn)動規(guī)律的理解以及應(yīng)用的靈活性.課堂教學(xué)時(shí)，教師可對上述過程進(jìn)行簡化，對車輪進(jìn)行受力分析，如圖1所示.其中路軌的彈力和列車車頭重力的合力提供向心力.設(shè)路基的傾角為θ，則tanθ=F合G，F(xiàn)合=mv2R，G=mg，聯(lián)立解得tanθ=0.08.而后提問學(xué)生：鐵軌對車輪沒有側(cè)向彈力有什么現(xiàn)實(shí)的意義？驅(qū)使學(xué)生從工程使用壽命角度繼續(xù)思考.最終學(xué)生討論可知，如此進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅有助于保障列車車頭行駛安全，而且可延長拐彎處鐵軌的使用壽命.

教師在課堂上依托具體工程進(jìn)行物理知識通過講解，豐富了課堂內(nèi)容，增加了課堂教學(xué)趣味.尤其通過剖析工程中應(yīng)用物理知識的案例，有效滲透STEAM教育的同時(shí)，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo).

3 融入例題講解環(huán)節(jié)

在例題講解環(huán)節(jié)融入STEAM教育，可給學(xué)生以后進(jìn)行工程設(shè)計(jì)帶來良好啟發(fā).一方面，高中物理例題非常多，教師應(yīng)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)以及STEAM教育內(nèi)容，做好例題篩選，確保講解的例題針對性強(qiáng)，STEAM教育目標(biāo)明確；另一方面，授課活動中，教師應(yīng)給學(xué)生留足表現(xiàn)機(jī)會，多給予啟發(fā)、互動，營造良好課堂氛圍的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，使其手腦并用，及時(shí)找到解題的切入點(diǎn)［4］.

“平拋運(yùn)動”是高中物理中非常重要的運(yùn)動類型.完成相關(guān)理論知識講解后，教師可展示以下例題，要求學(xué)生分析、作答：當(dāng)前人們對機(jī)器人研發(fā)充滿興趣，希望在以后的生活中能運(yùn)用機(jī)器人替代人的工作.假設(shè)要求你設(shè)計(jì)一款投籃機(jī)器人.該機(jī)器人將籃球和水平方向成45°角拋出，剛好落入距離10 m遠(yuǎn)的籃筐中.其中籃球出手點(diǎn)和籃筐處在同一水平面上，忽略空氣阻力，則籃球應(yīng)以多大的速率拋出？

為使學(xué)生更好地找到該題的突破口，教師可要求學(xué)生思考以下問題，給予學(xué)生啟發(fā)：（1）籃球做什么運(yùn)動？（2）由籃球投出時(shí)的角度，可以得出水平和豎直速度之間有什么關(guān)系？（3）籃球出手點(diǎn)和籃筐處在同一水平面上，你能挖掘哪些隱含條件？（4）從該設(shè)計(jì)活動中你獲得哪些啟發(fā)？

學(xué)生從平拋運(yùn)動知識學(xué)習(xí)中獲得啟發(fā)，認(rèn)識到平拋運(yùn)動中水平和豎直方向上的運(yùn)動具有獨(dú)立性，但兩者之間又通過時(shí)間存在一定聯(lián)系.籃球拋出后做斜拋運(yùn)動，但其可用平拋運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析.由籃球拋出時(shí)速度的角度可知，其豎直和水平方向上的速度大小相等.由籃球出手點(diǎn)和籃筐處在同一水平面上，可知籃球從出發(fā)點(diǎn)達(dá)到最高點(diǎn)與從最高點(diǎn)進(jìn)入籃筐中的時(shí)間相等.設(shè)籃球水平和豎直方向的速率均為v0，拋出點(diǎn)到最高點(diǎn)的高度為h，出手點(diǎn)和籃筐的水平距離為x，籃球達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間為t，則：h=12gt2，12x=v0t，v0=gt，解得v0=52 m/s，則籃球拋出時(shí)的速率v=v0cos45°=10 m/s.

高中物理例題講解環(huán)節(jié)，將STEAM教育中的“技術(shù)”領(lǐng)域知識融入到例題情境中，可使學(xué)生認(rèn)識到物理知識與技術(shù)知識的內(nèi)在聯(lián)系，驅(qū)使學(xué)生養(yǎng)成關(guān)注“技術(shù)”知識的習(xí)慣，培養(yǎng)運(yùn)用物理技術(shù)知識開展設(shè)計(jì)活動的意識.

4 融入課堂訓(xùn)練環(huán)節(jié)

安培力相關(guān)計(jì)算是高中物理的重難點(diǎn)知識.完成該部分內(nèi)容教學(xué)時(shí)，為更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力，啟發(fā)學(xué)生嘗試著運(yùn)用數(shù)學(xué)知識加以求解，課堂訓(xùn)練環(huán)節(jié)可為學(xué)生展示如下習(xí)題，要求學(xué)生分析作答：如圖2所示，一根通有恒定電流I，長為L，質(zhì)量為m的金屬條向右運(yùn)動.金屬條始終處在勻強(qiáng)磁場中（方向如圖所示，θ角已知）.金屬條和導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為μ，且金屬條以速度v做勻速運(yùn)動.若磁場方向不確定，求金屬條的最大加速度以及金屬條運(yùn)動位移為x的過程中安培力對金屬條做的功.

金屬條做勻速運(yùn)動時(shí)，由平衡條件可得：F安sinθ=μ（mg-F安cosθ）.設(shè)磁場方向和水平夾角為α?xí)r，金屬條的加速度最大，由牛頓第二定律可得：F安sinα-μ（mg-F安cosα）=ma，聯(lián)立整理得到：a=μgsinθ+μcosθ（sinα+μcosα）-μg，由三角函數(shù)輔助角公式可得a=μgsinθ+μcosθ1+μ2sin（α+φ）-μg，其中cosφ=11+μ2，由三角函數(shù)知識可得當(dāng)sin（α+φ）=1時(shí)，a有最大值μg1+μ2sinθ+μcosθ-μg.金屬條運(yùn)動位移x的過程中安培力做的功W=F安xcosφ=μmgx1+μ2（sinθ+μcosθ）（1+μ2）.

該課堂訓(xùn)練習(xí)題具有一定難度，解題主要運(yùn)用受力分析以及數(shù)學(xué)知識.教師在課堂上要求學(xué)生解答該題，提高其安培力計(jì)算熟練程度的同時(shí)，啟發(fā)學(xué)生在以后解答物理問題時(shí)注重?cái)?shù)學(xué)知識的應(yīng)用，很好地實(shí)現(xiàn)STEAM教育融入課堂訓(xùn)練的目標(biāo).

綜上所述，當(dāng)前STEAM教育受到人們的廣泛關(guān)注.高中物理教師應(yīng)認(rèn)真分析在教學(xué)活動中融入STEAM教育的意義，把握STEAM教育設(shè)計(jì)的知識，做好高中物理教學(xué)活動的精心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)STEAM教育與教學(xué)活動的有機(jī)融合，使學(xué)生牢固掌握物理知識的同時(shí)，接受STEAM教育的良好熏陶，養(yǎng)成學(xué)習(xí)、運(yùn)用跨學(xué)科知識分析、解決問題的良好習(xí)慣.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張濱，阮偉文.STEAM教育理念下的高中物理教學(xué)實(shí)踐研究［J］.中學(xué)理科園地，2022，18（04）：4-7.

［2］ 孫煦晗.基于STEAM理念的中學(xué)教育實(shí)踐研究：以高中物理“豎直上拋運(yùn)動”為例［J］.理科考試研究，2022，29（05）：41-43.

［3］ 蘇康慧，蘇玉成.基于STEAM教育理念的高中物理課程設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)課程資源，2021，17（09）：39-41，53.

［4］ 關(guān)蕾.基于STEAM教育理念下高中物理教學(xué)質(zhì)量的提升策略研究［J］.高考，2021（25）：53-54.

［責(zé)任編輯：李 璟］