培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神的STEM項目設(shè)計

摘 要：STEM項目設(shè)計是以項目學(xué)習(xí)作為教學(xué)框架，整合STEM內(nèi)容，通過問題驅(qū)動、跨學(xué)科融合和實驗探究來培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的教育方式。本文以“探究自行車變速原理”為例，通過“問卷調(diào)查，確定項目”“合作探究，獲得新知”“運用新知，解決問題”“角色體驗，內(nèi)化遷移”“實踐體驗，學(xué)以致用”五個環(huán)節(jié)建構(gòu)STEM項目設(shè)計教學(xué)模式，有效地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

關(guān)鍵詞：實踐能力；創(chuàng)新精神；STEM項目設(shè)計

新一輪基礎(chǔ)教育課程改革的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。相比三維目標(biāo)，核心素養(yǎng)更加強(qiáng)調(diào)實踐能力和創(chuàng)新精神。這是隨著科技發(fā)展和社會進(jìn)步，保證學(xué)生將來能夠不斷適應(yīng)新環(huán)境和新挑戰(zhàn)的必然要求。STEM教育是以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）為基礎(chǔ)［1］，通過實驗、探究、設(shè)計和制造等方式來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的教育方式，這與核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)的實踐創(chuàng)新高度契合，為培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)提供了有效路徑。STEM項目設(shè)計是我國開展STEM教育的主要途徑之一，它以真實的問題為起點，強(qiáng)調(diào)新情境下問題的驅(qū)動和跨學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識；同時，以實驗探究為主線，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新與實踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能；最終，以思維發(fā)展為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。［2］本文以人教版高中物理必修第二冊第六章“圓周運動”的教學(xué)為例，嘗試通過“探究自行車變速原理”的STEM項目設(shè)計達(dá)成“圓周運動”的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。［3］

1 項目背景

“圓周運動”是典型的概念課，本章節(jié)教學(xué)的重點是線速度、角速度、周期和轉(zhuǎn)速等概念的建構(gòu)及各物理量之間關(guān)系的掌握。教師應(yīng)建構(gòu)有積極意義的情境，通過問題引導(dǎo)學(xué)生建立這些概念。

自行車作為日常生活中環(huán)保、健康的交通工具，其變速功能使得騎行者可以根據(jù)路況、天氣等因素調(diào)整自行車的速度。這個神奇的變速功能是如何實現(xiàn)的呢？變速器變速原理正好是“圓周運動”的教學(xué)內(nèi)容的一部分，因此，通過設(shè)立“探究自行車變速器原理”的STEM項目活動，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)圓周運動相關(guān)知識，還能學(xué)習(xí)到技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等相關(guān)知識，從而在掌握知識的同時，解決實際問題，并培養(yǎng)他們解決問題的綜合能力。

2 項目目標(biāo)與設(shè)計思路

STEM項目強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科知識的融合。項目學(xué)習(xí)的目標(biāo)不是單一的，而是要通過項目學(xué)習(xí)促使學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多個領(lǐng)域的綜合能力和素養(yǎng)的提升。教師嘗試通過問題驅(qū)動，采用小組合作學(xué)習(xí)的方式，經(jīng)歷“問卷調(diào)查，確定項目”“合作探究，獲得新知”“運用新知，解決問題”“角色體驗，內(nèi)化遷移”“實踐體驗，學(xué)以致用”這五個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的學(xué)科綜合素養(yǎng)。

2.1 問卷調(diào)查，確定項目

教師通過設(shè)置問卷調(diào)查，了解學(xué)生在騎行過程中的調(diào)速情況。這一舉措不僅能引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會和生活實踐，培養(yǎng)他們的觀察力與分析問題的邏輯思維能力，還能引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)快速解決問題，進(jìn)而提升他們的技術(shù)素養(yǎng)。

2.2 合作探究，獲得新知

學(xué)生通過探究圓周運動快慢的描述方式及各物理量之間的關(guān)系，建構(gòu)線速度、角速度、周期、頻率和轉(zhuǎn)速的概念，并弄清它們的聯(lián)系，培養(yǎng)自身的科學(xué)探究和思維能力。

2.3 運用新知，解決問題

學(xué)生通過探究自行車變速器的工作原理，可以明確圓周運動中兩種典型傳動方式與自行車速度的關(guān)系，還培養(yǎng)了自身的科學(xué)探究能力和數(shù)學(xué)計算能力；通過探究擋位調(diào)節(jié)的方法，可以明確擋位調(diào)節(jié)與工程知識的關(guān)系，還培養(yǎng)了自身的工程素養(yǎng)。

2.4 角色體驗，內(nèi)化遷移

教師指導(dǎo)學(xué)生通過角色體驗，運用圓周運動的相關(guān)知識設(shè)計未來自行車。這不僅可以發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思維能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

2.5 實踐體驗，學(xué)以致用

教師帶領(lǐng)學(xué)生探究修正帶的工作原理。這一過程不僅能培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決問題的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度。［4］

3 項目實施

3.1 環(huán)節(jié)一：問卷調(diào)查，確定項目（課前準(zhǔn)備）

驅(qū)動問題：在騎行過程中你會調(diào)擋嗎？（對高一年級全體學(xué)生開展網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查）

【成果展示】

教師展示課前問卷調(diào)查結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自行車的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：此問卷調(diào)查的主要目的是為了了解騎行者是否會在騎行過程中調(diào)整自行車的擋位，以及他們調(diào)整擋位的原因和目的。這個問題涉及騎行者的騎行技巧、對自行車性能的理解以及在實際騎行中的策略。教師通過設(shè)置問卷調(diào)查，幫助學(xué)生了解高一學(xué)生在騎行過程中的調(diào)擋情況；通過擴(kuò)大問卷覆蓋的學(xué)生范圍，使得調(diào)查結(jié)果更具普遍性，教學(xué)更具針對性，更能激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

3.2 環(huán)節(jié)二：合作探究，獲得新知

驅(qū)動問題1：自行車變速器示意圖如圖1所示，如何比較分別位于后輪、飛輪和牙盤上的A、B、C三點的運動快慢？

【成果展示】

通過轉(zhuǎn)動腳踏，觀察A、B、C三點的運動情況，比較它們的運動快慢。

第一，在相同的時間內(nèi)，A點比B點通過的弧長更長，所以A點運動得快一些。

線速度（v）：質(zhì)點做圓周運動通過的弧長和所用時間的比值。定義式為v＝ΔsΔt，單位是m/s。

第二，在相同的時間內(nèi)，B點比C點轉(zhuǎn)過的角度大一些，所以B點轉(zhuǎn)動得快一些。

角速度（ω）：半徑掃過的角度與其所用時間的比值。定義式為ω＝ΔθΔt，單位是rad/s。

第三，B點比C點轉(zhuǎn)一圈所用的時間更短，所以B點轉(zhuǎn)動得快一些。

周期（T）：做勻速圓周運動的物體轉(zhuǎn)動一周所用的時間。

第四，1min內(nèi)B點比C點轉(zhuǎn)的圈數(shù)更多，所以B點轉(zhuǎn)動得快一些。

轉(zhuǎn)速（n）：物體轉(zhuǎn)動的圈數(shù)與所用時間之比，單位是r/min或r/s。

頻率（f）：做圓周運動的物體在單位時間（1s）內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，單位是Hz。

設(shè)計意圖：結(jié)合教材內(nèi)容通過探究活動，幫助學(xué)生建構(gòu)線速度、角速度、周期、頻率和轉(zhuǎn)速的概念，形成物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

驅(qū)動問題2：描述圓周運動快慢的各物理量有什么關(guān)系？

【成果展示】

各物理量之間的相互關(guān)系，如圖2所示。

v＝ΔsΔt＝2πrT

ω＝ΔθΔt＝2πTv＝ωr T＝1f＝1n

設(shè)計意圖：通過探究活動讓學(xué)生明白圓周運動各物理量之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生建立事物是相互聯(lián)系的唯物主義觀點。

3.3 環(huán)節(jié)三：運用新知，解決問題

驅(qū)動問題1：影響自行車運動快慢的因素有哪些？（既要定性研究，又要定量研究）

【成果展示】

猜想：①腳踏的轉(zhuǎn)動快慢（轉(zhuǎn)速）；②牙盤和飛輪的半徑。

研究方法：控制變量法。

步驟一，定性研究（轉(zhuǎn)動腳踏演示研究結(jié)果）。

首先，保持鏈條連接的牙盤和飛輪半徑不變，加快腳踏轉(zhuǎn)動的速度，自行車后輪轉(zhuǎn)動得也越來越快。

其次，保持腳踏轉(zhuǎn)動的速度不變，調(diào)節(jié)擋位，使鏈條與不同半徑的牙盤和飛輪連接；發(fā)現(xiàn)牙盤半徑越大，飛輪半徑越小，后輪轉(zhuǎn)得越快。

步驟二，定量研究。

設(shè)腳踏轉(zhuǎn)速為n2，牙盤半徑為r2，盤沿的線速度大小為v2，輪齒個數(shù)為N2；飛輪半徑為r1，輪沿的線速度大小為v1，轉(zhuǎn)速為n1，輪齒個數(shù)為N1；自行車后輪半徑為R，盤沿的線速度大小為v，轉(zhuǎn)速為n。

因為腳踏和牙盤是同軸轉(zhuǎn)動，在相同的時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度相同，所以二者轉(zhuǎn)速相同，均為n2。

因為飛輪和牙盤通過鏈條相連，所以在不打滑的情況下，在相同的時間內(nèi)它們通過的路程相同，它們的線速度大小相同，v1＝v2。

因為飛輪和后輪共同繞后輪軸轉(zhuǎn)動，所以它們轉(zhuǎn)速相同，n1＝n。

因為牙盤和飛輪是通過鏈條連接的，所以牙盤和飛輪上的每一個輪齒大小都相同，設(shè)輪齒寬度為d，可知2πr1＝N1d，2πr2＝N2d，再根據(jù)v＝ωr，ω＝2πn，解得n=n1＝r2r1n2＝N2N1n2＝Nn2設(shè)N＝N2N1，為齒比，v＝2πn2NR。

討論：①N一定時，n與n2成正比，即腳踏轉(zhuǎn)動越快，后輪轉(zhuǎn)動也越快；②n2一定時，n與N成正比，齒比越大，即牙盤與飛輪的半徑比越大，后輪轉(zhuǎn)動就越快。齒比具有特殊的物理意義，可通過牙盤轉(zhuǎn)速和齒比表示后輪的轉(zhuǎn)動快慢。例如牙盤齒數(shù)為36，飛輪齒數(shù)為15，則齒比為2.4，表示牙盤轉(zhuǎn)動1圈，后輪轉(zhuǎn)動2.4圈。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生經(jīng)歷從初步猜想到深入定性研究，再到定量研究的完整探究過程，認(rèn)識自行車變速器的結(jié)構(gòu)，掌握皮帶傳動和同軸轉(zhuǎn)動的特點，成功推導(dǎo)出自行車前進(jìn)速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。力圖通過這一過程培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

驅(qū)動問題2：計算本小組所提供的自行車變速范圍。

【成果展示】

以某品牌山地車為例，要根據(jù)公式求出自行車的速度，需要以下物理量：①確定各牙盤和各飛輪的齒數(shù)，計算出相應(yīng)的齒比；②測量自行車輪胎直徑d＝0.66m；③通常情況下用腳踏每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)來描述腳踏的轉(zhuǎn)動快慢（也稱“踏頻”），正常的踏頻為80～90，以n2＝80r/min＝4800r/h為例，用EXCEL快速計算出結(jié)果。

不同齒比下自行車的速度如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出：第一，通過變速器能夠?qū)崿F(xiàn)自行車速度的大范圍變化，牙盤和飛輪個數(shù)越多，可調(diào)速度擋位就越多；第二，擋位最高（齒比最大）時，自行車的速度最快，可以達(dá)到39.8km/h；擋位最低（齒比最小）時，自行車的速度最慢，僅有6.8km/h。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生經(jīng)歷計算速度和分析數(shù)據(jù)尋找規(guī)律的過程，培養(yǎng)他們應(yīng)用信息技術(shù)快速處理物理問題的能力，以及歸納概括的能力。

驅(qū)動問題3：在爬坡和下坡時你該如何選擇擋位？請說明理由。

【成果展示】

第一，爬坡時，適當(dāng)用低擋，下坡時適當(dāng)用高擋。

分析原因：變速器擋位越高，速度越快，但越難踩；擋位越低，速度越慢，但踩起來越輕松。

第二，要避免飛輪偏離牙盤中心線太遠(yuǎn)。

分析原因：牙盤和飛輪中心線幾乎都不在一條直線上。當(dāng)飛輪偏離牙盤中心線越遠(yuǎn)時，鏈條的傾斜度越大，這樣不僅容易導(dǎo)致鏈條打滑，還會導(dǎo)致摩擦力的增大，加劇磨損。

綜上所述，擋位選擇的原則如圖3所示。

設(shè)計意圖：指導(dǎo)學(xué)生從速度、省力和磨損三個角度，運用物理學(xué)和工程學(xué)的知識探究擋位選擇的原則，培養(yǎng)學(xué)生從多角度思考問題的能力，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和工程素養(yǎng)。

3.4 環(huán)節(jié)四：角色體驗，內(nèi)化遷移

驅(qū)動問題：假如你是一名工程師，如何進(jìn)一步改進(jìn)自行車？

【成果展示】

在保證省力和提速的前提下，優(yōu)化自行車的方案包括：①為了通過增大齒比提高速度，可以適當(dāng)?shù)卦黾友辣P半徑；②為了減小鏈條與牙盤和飛輪之間的磨損，可以采用兩種措施，其一是增加牙盤厚度并適當(dāng)減小飛輪厚度，以縮小兩者的中心線的距離；其二是給牙盤安裝滑輪裝置，使其可以左右滑動，從而減小牙盤和飛輪中心線之間的距離。

設(shè)計意圖：通過角色體驗，評價學(xué)生對知識的掌握程度，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和探究未知世界的激情，提升他們的工程素養(yǎng)。

3.5 環(huán)節(jié)五：實踐體驗，學(xué)以致用

驅(qū)動問題：拆解修正帶，明確其工作原理（課外拓展）。

設(shè)計意圖：通過探究活動，深化學(xué)生對圓周運動知識的理解，并培養(yǎng)他們動手操作的能力，養(yǎng)成事實求是的科學(xué)態(tài)度。

4 項目評估

本項目的評估將包括以下幾個方面：學(xué)生的觀察力、實驗?zāi)芰?、?shù)據(jù)分析能力、團(tuán)隊協(xié)作能力，以及對自行車變速原理的理解和應(yīng)用能力。此外，教師還對學(xué)生在創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)進(jìn)行評估。

5 項目設(shè)計反思

本項目設(shè)計通過創(chuàng)設(shè)問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)問題，提出了“探究自行車變速原理”的項目主題。教師基于STEM理念給學(xué)生布置了一系列的驅(qū)動任務(wù)，讓學(xué)生經(jīng)歷了認(rèn)識機(jī)械構(gòu)造、探究變速原理、學(xué)會科學(xué)調(diào)速、優(yōu)化變速系統(tǒng)、剖析修正帶工作原理的項目過程，使學(xué)生掌握了圓周運動的核心知識，解決了“學(xué)生不會調(diào)速”的問題。在這個過程中，教師通過“問卷調(diào)查，確定項目”激發(fā)學(xué)生的探索欲望，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造興趣和創(chuàng)造動機(jī)；通過“合作探究，獲得新知”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗探究，提高他們的創(chuàng)新實驗?zāi)芰?；通過“運用新知，解決問題”培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和技術(shù)技能，為創(chuàng)新實踐打基礎(chǔ)；通過“角色體驗，內(nèi)化遷移”向?qū)W生滲透科技價值理念，培養(yǎng)他們的批判思維和質(zhì)疑精神；通過“實踐體驗，學(xué)以致用”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識的遷移和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

參考文獻(xiàn)

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