基于STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的高中物理課堂轉(zhuǎn)型初探*
——以“反沖現(xiàn)象 火箭”為例

吳鵬程

(江蘇省震澤中學(xué) 江蘇 蘇州 215200)

談到STEM教育理念最早起源于美國(guó),它的各個(gè)字母分別代表科學(xué)(science)、技術(shù)(technology)、工程(engineering)以及數(shù)學(xué)(mathematics),旨在打破學(xué)科邊界,往往以工程項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng),讓學(xué)生在項(xiàng)目制作過(guò)程中提升綜合素養(yǎng).近年來(lái),隨著國(guó)際人才競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,各國(guó)紛紛借鑒美國(guó)STEM教育經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展教育改革[1].

STEM教育由于其本身的特點(diǎn),對(duì)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)有其獨(dú)特的優(yōu)越性[2].如何發(fā)揮STEM教育的優(yōu)勢(shì),借助STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)物理課堂的轉(zhuǎn)型,值得進(jìn)一步探討.

1 STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)課堂轉(zhuǎn)型的可行性

1.1 教學(xué)目標(biāo)一致

STEM教育的教學(xué)目標(biāo)一般認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng),但對(duì)于STEM素養(yǎng)的定義學(xué)者們還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)知.多數(shù)學(xué)者認(rèn)為STEM素養(yǎng)應(yīng)該是在解決STEM問(wèn)題過(guò)程中的綜合表現(xiàn),具體包括STEM知識(shí)、STEM思維、STEM能力以及STEM態(tài)度[3].高中物理核心素養(yǎng)主要包括:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.兩者的對(duì)比分析如表1所示.

表1 STEM素養(yǎng)與物理核心素養(yǎng)內(nèi)容對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)STEM素養(yǎng)包含了物理核心素養(yǎng).因此,STEM教育的教學(xué)目標(biāo)與我國(guó)高中物理的教學(xué)目標(biāo)具有一致性.

1.2 教學(xué)內(nèi)容相符

STEM教育以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動(dòng),高中物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)加以改造均可提供項(xiàng)目素材.例如,在研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的教學(xué)過(guò)程中,可以創(chuàng)設(shè)工程情境,讓學(xué)生自制粗略測(cè)量加速度的工具,在研究與設(shè)計(jì)的過(guò)程中探究加速度的相關(guān)知識(shí).

STEM教育的融入還能夠?qū)⑽锢硪?guī)律轉(zhuǎn)化為實(shí)際問(wèn)題,讓學(xué)生在探究或驗(yàn)證的過(guò)程中獲取知識(shí).例如胡克定律,教師可以創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境:如何驗(yàn)證商家是否缺斤少兩?學(xué)生通過(guò)工程探究與設(shè)計(jì),感受彈力與形變量的關(guān)系,從而進(jìn)一步了解胡克定律.相較于傳統(tǒng)物理課堂,學(xué)生通過(guò)實(shí)踐,完成對(duì)知識(shí)的建構(gòu),進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的理解.

因此,高中物理教學(xué)內(nèi)容能夠?yàn)镾TEM教育提供豐富的工程背景與素材,從而實(shí)現(xiàn)基于STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的課堂轉(zhuǎn)型.

1.3 轉(zhuǎn)型條件良好

絕大多數(shù)高中都已配備了物理實(shí)驗(yàn)室能夠滿足一定的物理實(shí)驗(yàn)需要,這也為STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型提供了良好的環(huán)境.STEM工程問(wèn)題的解決離不開(kāi)工程探究,而物理實(shí)驗(yàn)室能夠提供大量的實(shí)驗(yàn)器材,既能夠滿足工程探究的需求,也能夠節(jié)省學(xué)校的開(kāi)支.

教育部2017年頒布的新版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中也指出:要積極引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí),教學(xué)方式要多樣化,要?jiǎng)?chuàng)設(shè)利于學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)情境[4].這與STEM教育理念不謀而合,為實(shí)現(xiàn)STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的課堂轉(zhuǎn)型營(yíng)造了良好的氛圍.

2 基于STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于項(xiàng)目選取與設(shè)計(jì),既要符合教材與教學(xué)要求,更要貼近學(xué)生生活.本次課程選自人教版選擇性必修一“反沖現(xiàn)象 火箭”,課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該部分的要求為:知道火箭的發(fā)射利用了反沖現(xiàn)象.學(xué)生在此之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律,具有一定的基礎(chǔ).本節(jié)課教學(xué)程序如圖1所示,物理核心素養(yǎng)目標(biāo)與STEM素養(yǎng)目標(biāo)對(duì)比如表2所示.

圖1 教學(xué)程序

表2 “反沖現(xiàn)象 火箭”物理核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)與STEM教育培養(yǎng)目標(biāo)

2.1 創(chuàng)設(shè)工程情境 發(fā)起項(xiàng)目任務(wù)

本節(jié)課設(shè)計(jì)的情境與項(xiàng)目任務(wù)如下:2021年10月16日,我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了神州十三號(hào),標(biāo)志著我國(guó)的航天事業(yè)邁上新的臺(tái)階,身為高中生的我們無(wú)比自豪.請(qǐng)你也參與到“飛天計(jì)劃”設(shè)計(jì)并制作一款模型火箭,要求盡可能提升高度,并確?；鸺浠貢r(shí)得到保護(hù).

2.2 引導(dǎo)基礎(chǔ)探究 形成物理觀念

在開(kāi)始制作前,教師引導(dǎo)學(xué)生思考火箭是如何升空的?大多數(shù)學(xué)生都知道是火箭受到了向上的作用力,而這個(gè)作用力是誰(shuí)施加的,地面還是噴出的氣體?基于上述思考,結(jié)合動(dòng)量守恒定律,由此引出反沖現(xiàn)象的概念.

關(guān)于升空高度的思考,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下嘗試進(jìn)行基礎(chǔ)探究.思考如何將坐在滑板上的人“發(fā)射”出去.學(xué)生提出很多想法,例如手持滅火器、手持水槍、拋出重物等等.在此基礎(chǔ)上,教師帶領(lǐng)學(xué)生以手持滅火器為例進(jìn)行“發(fā)射”實(shí)驗(yàn),如圖2所示.

圖2 模擬發(fā)射實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生思考滑板與人獲得的速度與哪些因素有關(guān),基于該思考建構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示.

圖3 “發(fā)射實(shí)驗(yàn)”模型

假設(shè)在極短的時(shí)間內(nèi)滅火器噴出的粉末質(zhì)量為Δm,水平噴出的粉末相對(duì)于發(fā)射前人的速度為u,噴出粉末后剩余整體質(zhì)量為m,試求人獲得的反沖速度,學(xué)生根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得

mΔv+Δmu=0

其中負(fù)號(hào)表示人獲得的速度與粉末噴出速度方向相反.通過(guò)該式我們發(fā)現(xiàn)人能獲得的速度與Δm、m的比值以及u的大小有關(guān).因此可以從提高噴出粉末質(zhì)量與剩余整體質(zhì)量的比值以及粉末噴出速度的角度著手,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)資料的查詢與學(xué)習(xí).在基礎(chǔ)探究過(guò)程中學(xué)生還發(fā)現(xiàn),采用該方法人能夠滑行的距離較短,又該如何增加滑行距離?通過(guò)瓶口壓力表發(fā)現(xiàn)隨著粉末的噴出,瓶?jī)?nèi)的壓力逐漸減小,噴出的粉末速度也逐漸減小,因此人的滑行距離較短.增加滑板上滅火器的數(shù)量是否就一定能增加滑行距離?學(xué)生容易想到,已經(jīng)用完的滅火器如果還置于滑板上,人能獲得速度也將變小,應(yīng)該將空瓶舍棄,至此分級(jí)火箭的概念呼之欲出.

項(xiàng)目還要求在火箭落地時(shí)要得到保護(hù),學(xué)生結(jié)合之前所學(xué)動(dòng)量定理提出可以給水火箭安裝降落傘、設(shè)置緩沖墊等.

該環(huán)節(jié)主要依靠教師引導(dǎo),學(xué)生自主探究,通過(guò)物理建模等途徑,逐漸形成物理觀念,并在此過(guò)程中逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.

2.3 整合學(xué)科知識(shí) 分組制訂方案

基于之前的分析與初步探究,學(xué)生開(kāi)始自由分組,做好分工與合作.在查閱相關(guān)資料后,學(xué)生了解到現(xiàn)代的火箭噴氣速度通常在2 000～5 000m/s,很難進(jìn)一步提高,因此需要提高火箭噴出的燃?xì)赓|(zhì)量與火箭剩余質(zhì)量的比值.在航天領(lǐng)域,火箭噴氣前的總質(zhì)量M與火箭噴氣后剩余質(zhì)量m的比值叫做質(zhì)量比,但是現(xiàn)代火箭的質(zhì)量比一般小于10.結(jié)合基礎(chǔ)探究活動(dòng)中拋棄廢瓶的做法,學(xué)生更容易理解分級(jí)火箭的設(shè)計(jì)理念.

分級(jí)運(yùn)載火箭利用燃料燃燒噴出高溫高壓氣體實(shí)現(xiàn)反沖升空,模擬火箭又該采用何種方式?經(jīng)過(guò)討論,學(xué)生想到了水火箭,并發(fā)現(xiàn)隨著火箭級(jí)數(shù)的增加連接部分的氣密性會(huì)受到較大影響,同時(shí)水火箭整體質(zhì)量也會(huì)增加從而影響升空高度,最終學(xué)生決定設(shè)計(jì)并制作二級(jí)水火箭.

各組分工協(xié)作,設(shè)計(jì)水火箭的主體結(jié)構(gòu)與連接方式,并借助建模軟件繪制了產(chǎn)品模型,如圖4所示.

圖4 學(xué)生設(shè)計(jì)圖

在應(yīng)用動(dòng)量定理時(shí)考慮到反沖力較大,學(xué)生增加了發(fā)射底座以穩(wěn)定火箭發(fā)射.制作材料大多易于獲取,例如飲料瓶、魚(yú)線、塑料膜等,這些身邊的材料有大用場(chǎng).部分不易獲取的零件,學(xué)生借助3D打印機(jī)進(jìn)行了個(gè)性化制作.其他組員設(shè)計(jì)了制作流程,主要包括發(fā)射底座的制作與安裝、箭體拼接、降落傘安裝以及氣密性檢測(cè)等.

本環(huán)節(jié)的順利開(kāi)展需要學(xué)生整合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí),例如數(shù)學(xué)在尺寸設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用,材料學(xué)在選材方面的應(yīng)用、建模軟件在模型設(shè)計(jì)方面的輔助等等.該過(guò)程教師要避免過(guò)多干預(yù),讓學(xué)生在該環(huán)節(jié)充分思考,提升科學(xué)思維與科學(xué)探究能力.

2.4 協(xié)力項(xiàng)目探究 共制課程產(chǎn)品

在完成方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,各組進(jìn)行產(chǎn)品制作.學(xué)生選用了兩個(gè)相同大小的飲料瓶在底部挖出相同尺寸的小孔,然后通過(guò)螺栓與墊片進(jìn)行“串聯(lián)”組成一級(jí)箭體,并在其頭部安裝一級(jí)降落傘.二級(jí)箭體主要由飲料瓶、薄膜降落傘構(gòu)成.學(xué)生將一級(jí)箭體與二級(jí)箭體間通過(guò)氣閥、塑料軟管等零件連接.至此,二級(jí)水火箭產(chǎn)品初步制作完成,實(shí)踐過(guò)程及成果如圖5所示.

圖5 學(xué)生STEM項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程

該部分各組員之間相互配合完成制作,教師對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)與幫助.制作過(guò)程既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,也逐步提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力.

2.5 產(chǎn)品展示交流 自我反思改進(jìn)

在教師的組織下,各小組講解了本組水火箭的設(shè)計(jì)思路、構(gòu)造,并進(jìn)行了實(shí)地發(fā)射以檢驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)成度,如圖6所示.通過(guò)實(shí)踐,學(xué)生也發(fā)現(xiàn)了本組產(chǎn)品的不足之處,例如部分小組降落傘未打開(kāi),箭體連接處氣密性差升空高度低等.學(xué)生在該階段通過(guò)對(duì)比其他小組的作品進(jìn)行了自主反思與改進(jìn)工作.

教師在此過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)評(píng)與分享,幫助學(xué)生鞏固強(qiáng)化本節(jié)課的內(nèi)容.該交流分享環(huán)節(jié)既有利于提升學(xué)生的溝通能力,也有利于學(xué)生在反思中提升科學(xué)思維能力.

2.6 多元化多樣化教學(xué)評(píng)價(jià)

基于STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的課堂,教學(xué)評(píng)價(jià)方式也不再單一,在整個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)中采用多樣化多元化全過(guò)程的評(píng)價(jià)方式.評(píng)價(jià)主體包括教師評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)與互評(píng)相結(jié)合,評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)項(xiàng)目活動(dòng).學(xué)生最終的STEM項(xiàng)目成績(jī)由教師評(píng)價(jià)、小組自評(píng)與小組互評(píng)共同構(gòu)成,滿分為100分,按照表3各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),最終得分取教師評(píng)價(jià)、小組自評(píng)與小組互評(píng)的平均分作為該小組STEM項(xiàng)目活動(dòng)分?jǐn)?shù).實(shí)踐完成后統(tǒng)計(jì)得出各組項(xiàng)目活動(dòng)平均分均達(dá)到87分以上,項(xiàng)目達(dá)成度較高,符合教學(xué)預(yù)期目標(biāo).

表3 STEM項(xiàng)目成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表

3 結(jié)束語(yǔ)

區(qū)別于傳統(tǒng)的物理課堂和單純的水火箭制作,本節(jié)課基于STEM教育理念,創(chuàng)設(shè)工程情境驅(qū)動(dòng)學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中掌握相關(guān)知識(shí)與技能.在基礎(chǔ)探究過(guò)程中,學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析火箭升空原理感知反沖現(xiàn)象,通過(guò)建構(gòu)物理模型推導(dǎo)其速度的影響因素從而理解多級(jí)火箭的設(shè)計(jì)理念.在項(xiàng)目產(chǎn)品的制作過(guò)程中,學(xué)生綜合運(yùn)用了物理學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題,打破了學(xué)科邊界.3D打印、軟件建模等技術(shù)的應(yīng)用則進(jìn)一步提升了學(xué)生綜合素養(yǎng).產(chǎn)品的制作完成并不代表課堂的結(jié)束,學(xué)生在展示交流的過(guò)程中不斷反思與改進(jìn),逐步提升科學(xué)思維.

在STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的課堂中,科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)4要素都與高中物理課程實(shí)現(xiàn)了深度融合,學(xué)生的主觀能動(dòng)性也得到了充分發(fā)揮.教師以物理課程為素材精心開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目,以“引導(dǎo)”代替“講解”,學(xué)生以“探究性協(xié)作”代替“機(jī)械性制作”.基于STEM項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的新型課堂為學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展提供了新的可能.