基于STEM教育的6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式融入高中物理課程的探索與實踐
——以“力的分解”為例

劉 涵 許桂清

(華南師范大學(xué)物理學(xué)院,廣東 廣州 510006)

STEM教育強調(diào)學(xué)科間有邏輯、有組織地進行交叉與融合,[1]貫徹跨學(xué)科思維,以應(yīng)對21世紀挑戰(zhàn).近年來,我國在引進STEM教育的同時,也在積極推進STEM教育的本土化實踐.在課程改革的研究中,工程取向的STEM課程被證明是落實整合性STEM教育理念的最適切形式,[2]其中,由美國國際技術(shù)與工程教育學(xué)會提出的6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式[3]頗具成效,備受推崇.

6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式讓學(xué)生經(jīng)歷“參與、探索、解釋、工程、深化、評價”6個環(huán)節(jié),統(tǒng)整跨學(xué)科的知識,解決挑戰(zhàn)性任務(wù).該模式有利于學(xué)生綜合素養(yǎng)的培育和實踐創(chuàng)新能力的提升.[4]本文建構(gòu)了基于6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式的物理課堂教學(xué)框架,以“力的分解”為例,探索融入6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式的高中物理教學(xué)實踐.同時總結(jié)一般性思路,為STEM理念有機融入物理教學(xué)提供啟示.

1 物理課堂教學(xué)框架的建構(gòu)

6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式以工程設(shè)計為主軸,結(jié)合了“科學(xué)探究”的思維和“工程設(shè)計”的實踐.筆者基于“6E”學(xué)生學(xué)習(xí)流程,結(jié)合物理學(xué)科教學(xué)特點,設(shè)計了相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié),課堂教學(xué)框架建構(gòu)如圖1所示.該教學(xué)設(shè)計讓學(xué)生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)中感知和洞察真實情境問題,運用跨學(xué)科知識解決挑戰(zhàn)性的任務(wù),為一線教師提供6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式融入物理課堂的教學(xué)參考.下面以粵教版高中物理必修1“力的分解”為例,探討如何基于該教學(xué)框架設(shè)計物理課堂.

圖1 物理課程6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式結(jié)構(gòu)圖

2 6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式的應(yīng)用

2.1 參與:明晰問題情境,回顧物理概念

6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式的首要任務(wù)是讓學(xué)生“參與”到學(xué)習(xí)活動中,教師應(yīng)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的認知特點,創(chuàng)設(shè)合適的問題情境,為學(xué)生提供根據(jù)其已有知識暫時難以解釋、導(dǎo)致認知失衡又急于消除困惑的認知場景,[5]激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.為了發(fā)揮物理課堂的育人功能,本研究將“港珠澳大橋”這一中華民族的“復(fù)興橋”作為物理情境導(dǎo)入,用兩個主線問題“大橋的索塔為什么這么高”和“大橋的引橋為什么這么長”串聯(lián)起整節(jié)課,逐步引導(dǎo)學(xué)生深度參與課堂.具體教學(xué)片段如下.

教師:港珠澳大橋是大灣區(qū)的璀璨明珠,它具有獨特的拉索橋結(jié)構(gòu),橋面被許多相互對稱的繩索拉起,這個支撐拉索的高塔被稱為索塔(如圖2所示).

圖2 建立橋梁的受力分析模型

教師:值得注意的是,港珠澳大橋的索塔“同心結(jié)”高達163 m.請同學(xué)們思考,為什么大橋的索塔要建得這么高呢?

學(xué)生:(討論)為了穩(wěn)固/美觀/安全/設(shè)計感……

教師:為了解決這個問題,我們需要先學(xué)習(xí)物理知識.讓我們一起進入今天的物理課堂——力的分解.

教師:上節(jié)課,我們學(xué)習(xí)了“力的合成”……

本環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)了思考港珠澳大橋索塔高度原因的真實問題情境,學(xué)生在發(fā)散思維積極參與討論的過程中,結(jié)合教師板書,回顧“合力”“分力”的概念,明確力的分解與合成互為逆運算的觀念,體現(xiàn)了“參與”環(huán)節(jié)中基于真實場景問題,建立新舊知識聯(lián)系的特點.

2.2 探索:建構(gòu)物理模型,分析探索結(jié)論

根據(jù)6E學(xué)習(xí)理論,在探索階段,學(xué)生應(yīng)有機會建構(gòu)自己對問題的理解,通過自我設(shè)計、引導(dǎo)或探索,提出設(shè)想、驗證結(jié)論.[4]本節(jié)課在拋出問題后,通過詰問的方式,逐步引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型與討論交流,模擬工程技術(shù)中的建?！疤剿鳌?以“力的分解”一課為例探討如下,在教學(xué)實踐中,先完成主線問題1的教學(xué),再進入主線問題2的探究情境.

(1) 對于主線問題1,師生共同探討高低索塔“誰”更安全的技術(shù)方案,具體教學(xué)片段如下.

教師:當(dāng)建造橋梁的時候,要考慮的主要問題就是橋梁是否安全、可靠.那索塔比較高就會比較安全嗎?請同學(xué)們觀察,索塔的高低影響了什么?

學(xué)生:索塔高低影響了拉索張開的角度.

教師:沒錯.請以橋梁為研究對象,在索塔高低不同時進行受力分析,觀察角度的不同.

學(xué)生嘗試建構(gòu)如圖2所示的橋面的受力分析模型.對比發(fā)現(xiàn):索塔高時拉力的夾角更小.

本環(huán)節(jié)由索塔現(xiàn)象出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生模擬工程師角色進行觀察,發(fā)現(xiàn)索塔高低影響的是拉索張開的角度,進而有序組織知識元素嘗試建構(gòu)模型,課標(biāo)中提到的模型建構(gòu)的科學(xué)思維得到有效發(fā)展.

(2) 對于主線問題2:師生共同研究引橋長度之“謎”的工程問題,教學(xué)片段如下.

教師:繼續(xù)沿著港珠澳大橋往前走.為什么大橋的引橋要修得這么長呢?

教師:為了更好地研究這個問題,請大家將引橋簡化為物理模型進行分析.引橋長度影響了什么?

學(xué)生:引橋可以抽象成一個斜面(如圖3所示).引橋越長,斜面越緩,傾角越小.

圖3 建立引橋的斜面模型

本環(huán)節(jié)同樣以學(xué)生為主體,由前述港珠澳大橋索塔高低問題,轉(zhuǎn)向引橋長短問題,讓學(xué)生在再一次的物理建模中,真切感知到物理模型對工程設(shè)計的指導(dǎo)價值.

2.3 解釋:運用科學(xué)知識,分析解釋現(xiàn)象

在形成初步理解的基礎(chǔ)上,學(xué)生在此階段應(yīng)嘗試運用概念、原理解釋研究問題與方案,加深對知識的理解.例如,在“力的分解”一課的解釋環(huán)節(jié),學(xué)生首先通過小實驗形成感性認識,再運用力的分解的知識解釋現(xiàn)象,體悟力的分解的具體步驟、方法,鞏固新知.具體的教學(xué)片段如下.

(1) 研究“索塔”問題:實驗探究,解釋現(xiàn)象.

教師:夾角的大小對拉索上的張力有什么影響?我們不妨用兩個彈簧測力計互成角度地拉起一個鉤碼,讓鉤碼保持靜止,逐漸增大拉力的夾角,觀察測力計的示數(shù)變化.

學(xué)生:(實驗后答)當(dāng)夾角增大時,彈簧測力計的示數(shù)逐漸增大.

教師:如果運用力的分解的知識解釋這個現(xiàn)象,剛才的這個過程中,哪個力是不變的量?

學(xué)生:重力.

教師:很好.請同學(xué)們通過分解重力解釋剛才的問題.

學(xué)生:將重力分解到拉力的方向上(如圖4所示),分力的夾角越大,分力越大,對應(yīng)的拉索張力也就更大.索塔低時夾角大,拉索更容易斷.

圖4 分解重力:索塔低時橋梁更危險

本環(huán)節(jié)采用“探究-解釋”的教學(xué)策略,即首先讓學(xué)生動手進行實驗探究,形成感性認識;再引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的力進行分解并解釋,體會力的分解的一般步驟,由此推動學(xué)生科學(xué)推理能力的進一步發(fā)展.

(2) 研究“引橋”問題:數(shù)理結(jié)合,問題解釋.

在建立斜面模型的基礎(chǔ)上,繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生解釋“引橋”問題,具體教學(xué)片段如下.

教師:下面我們通過一個簡單的模擬實驗來探究斜面上的重力所產(chǎn)生的作用效果.用一塊塑料板當(dāng)作斜面,斜面上端懸掛了一根彈簧.現(xiàn)將小車一端與彈簧相連放置在斜面上,請同學(xué)們注意觀察塑料板和彈簧的變化情況(如圖5所示).

圖5 斜面上重力產(chǎn)生的作用效果實驗

學(xué)生:塑料板被壓彎,說明重力產(chǎn)生了垂直于斜面的擠壓效果;彈簧被拉長,重力產(chǎn)生了讓小車向下運動的作用效果.

教師:很好.在進行力的分解時,常根據(jù)實際問題所需以及力所產(chǎn)生的物理效果綜合確定分力的方向,可將重力按此方向分解.再請同學(xué)們思考:分力大小如何確定?分力大小隨傾角怎樣變化?

學(xué)生:(作圖分析)將分力方向確定,再結(jié)合平行四邊形定則確定分力的大小(如圖6所示).根據(jù)幾何關(guān)系和數(shù)學(xué)知識可知,隨著θ增大,F1增大,F2減小.

圖6 斜面上重力的分解

本環(huán)節(jié)采用的是“演示-解釋”的教學(xué)策略,首先通過演示實驗讓學(xué)生對重力產(chǎn)生的作用效果形成感性認識,再通過問題式對話的方式,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)中三角函數(shù)知識與幾何關(guān)系,判斷F1、F2的大小變化,數(shù)理結(jié)合解釋問題.

綜合上述兩個研究情境,前后兩個“解釋”環(huán)節(jié)互相呼應(yīng).一方面讓學(xué)生體悟力的分解的具體步驟、方法,在真實情境中鞏固新知,另一方面對比兩種情境下重力不同的分解方式,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié),在進行力的分解時,可根據(jù)實際問題所需以及力所產(chǎn)生的物理效果綜合確定分力的方向,[6]歸納力的分解的一般規(guī)律,從而突破教學(xué)難點.

2.4 工程:模擬工程建設(shè),開展工程驗證

工程是6E學(xué)習(xí)模式中最具STEM特色的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié).通常由教師向?qū)W生提供將所學(xué)知識和技術(shù)應(yīng)用到實踐中的機會,要求學(xué)生應(yīng)用原理、概念和理論,設(shè)計方案,制作裝置,測試并改進.筆者精心設(shè)計了實驗活動,自制教具,學(xué)生通過工程模擬,驗證“解釋”的正確性.

(1) 研究“索塔”問題:工程模擬,知識鞏固.

教師:下面模擬工程實驗,對比同樣橋身重量的情況下高低索塔的安全程度.

模擬實驗流程包括:① 將細棉繩固定在木板中間兩個環(huán)扣,模擬索塔較高的情況,如圖7(a)所示;② 將細棉繩固定在木板側(cè)邊兩個環(huán)扣,模擬索塔較低的情況,如圖7(b)(c)所示.

圖7 (a)索塔較高時的工程模擬;(b)(c)索塔較低時的工程模擬

學(xué)生:當(dāng)索塔較高時,橋梁能夠穩(wěn)固懸掛;當(dāng)索塔較低時,細棉繩斷,橋梁不能被拉起.

本環(huán)節(jié)通過生動直觀的工程模擬實驗給學(xué)生帶來視覺沖擊,學(xué)生動手操作熱情高漲.在通過探索、分析、交流、解釋之后,學(xué)生理性思維初步形成;驗證實驗使其由模型回歸現(xiàn)實,體會物理的重要性和工程的不可逆性,留下深刻印象,促進學(xué)生嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的形成.

(2) 研究“引橋”問題:工程模擬,總結(jié)分析.

本環(huán)節(jié)結(jié)合力傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)輔助驗證結(jié)果,模擬工程實驗(如圖8所示),流程包括:① 安裝儀器,將重物放置在傳感器上,學(xué)生辨認結(jié)構(gòu).② 增大斜面的傾角,觀察顯示屏上的數(shù)據(jù)變化.

圖8 傳感器和數(shù)據(jù)采集器輔助驗證結(jié)果

學(xué)生:隨著傾角增大,F1增大,F2減小,與前述結(jié)論一致.

學(xué)生:(交流、討論與總結(jié))通過理論分析與實驗驗證,得出結(jié)論.當(dāng)引橋較短時,斜面傾角大,重力沿斜面向下的分力F1大,導(dǎo)致汽車上坡費力,下坡危險.所以大橋的引橋設(shè)計得比較長.

本環(huán)節(jié)中,學(xué)生動手實踐,利用DISLab實驗儀驗證結(jié)論并與同伴交流.由前述的模型建構(gòu)到科學(xué)解釋,再到工程模擬與實驗驗證,學(xué)生經(jīng)歷了建模探索—解釋分析—工程驗證的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),循序漸進,逐步提升基于真實情境的工程問題解決能力.

2.5 深化:課后延伸拓展,合作交流感悟

深化是讓學(xué)生對所學(xué)知識進行深度探索,通過物理知識在復(fù)雜問題中的應(yīng)用,實現(xiàn)知識和技能的遷移.通常由教師提出新問題或任務(wù),學(xué)生進行討論交流,進行延伸和拓展,將已有的知識運用到新情境中.[2]考慮到教學(xué)實踐中課堂時間有限,深化環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)遷移,教師可以通過課后實踐制作、調(diào)研的形式開展,讓學(xué)生的物理學(xué)習(xí)延伸到課堂之外.

本節(jié)課中,筆者提供了兩項深化學(xué)習(xí)任務(wù)供學(xué)生選做.(1) 查閱不同橋梁結(jié)構(gòu)的有關(guān)資料,利用卡紙、紙筒、硬紙板等材料制作一個簡易的橋梁模型,形成設(shè)計報告說明作品的理念、特色與優(yōu)勢.(2) 要求學(xué)生查閱資料,分析調(diào)研港珠澳大橋建造時涉及的力學(xué)、運動學(xué)知識,以調(diào)查報告或研究論文的形式呈現(xiàn).兩項課后研究任務(wù)均以小組為單位,學(xué)生需查找有關(guān)資料,通過自主學(xué)習(xí)、合作與交流,完成對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深化.

2.6 評價:聚焦核心素養(yǎng),涵養(yǎng)態(tài)度責(zé)任

評價是6E學(xué)習(xí)理論的最后一環(huán),也是落實學(xué)習(xí)效果的重要步驟.評價環(huán)節(jié)需對學(xué)習(xí)效果進行檢測,判斷學(xué)習(xí)者是否已經(jīng)理解、掌握了基本概念與知識結(jié)構(gòu).[7]對學(xué)生在“深化”階段形成的實踐成果,本研究采取了多維評價的方式,分別從知識、方法和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任3個層面進行評價.從知識層面評價,需要評判作品中是否蘊含核心概念、規(guī)律,評析學(xué)生對物理知識的掌握和運用程度;從方法層面評價,需考察作品中是否蘊含工程建設(shè)與實踐的設(shè)計理念,評價學(xué)生工程設(shè)計、科學(xué)探究、數(shù)學(xué)分析、情境學(xué)習(xí)的能力與水平;從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的層面,需開展過程性評價考查學(xué)生在實踐活動中是否發(fā)展了人文精神,涵養(yǎng)嚴謹認真和實事求是的科學(xué)態(tài)度,塑造可持續(xù)發(fā)展的社會責(zé)任感.依據(jù)6E設(shè)計型學(xué)習(xí)模式,教師應(yīng)注重評價與反饋在物理教學(xué)中的作用,以評促學(xué),發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng).

3 小結(jié)

本文以“力的分解”為例,探討分析了基于“6E”設(shè)計型學(xué)習(xí)模式的高中物理課例.教師可以參照上述“6E”設(shè)計型學(xué)習(xí)模式對物理課堂實施教學(xué)探索,讓學(xué)生經(jīng)歷參與、探索、解釋、工程、深化、評價的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),深化學(xué)科核心素養(yǎng)的培育,為高中物理課程創(chuàng)新實踐注入生機與活力.