段 煉 張 靜

(長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院物理教育研究所,湖北 荊州 434023)

1 “STEM教育模式”簡介

STEM教育源于美國,目前,人們普遍接受的定義是Rider-Bertrand在2007年提出的“STEM教育是有目的地整合各學(xué)科的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法,學(xué)生將從中發(fā)現(xiàn)并獲得能在學(xué)術(shù)和現(xiàn)實(shí)背景中可以運(yùn)用的概念、能力以及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)思維等,以提高在21世紀(jì)的全球競爭力”．[1]STEM教育不僅僅是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的簡單組合,而是將4門學(xué)科相互貫穿、融合．摩爾和史密斯(Moore &Smith,2014)在其研究中提出了STEM教育的兩種整合模式:一是情境整合(Context integration),意在將工程設(shè)計(jì)當(dāng)作科學(xué)和數(shù)學(xué)教學(xué)中的學(xué)習(xí)情境和動力要素．其中工程設(shè)計(jì)并不是學(xué)習(xí)目標(biāo),而是一種教學(xué)方法,用以加強(qiáng)學(xué)生對知識的聯(lián)結(jié)和掌握;二是內(nèi)容整合(Content integration),重在將工程設(shè)計(jì)看作學(xué)習(xí)目標(biāo)之一,將相關(guān)工程知識與科學(xué)和數(shù)學(xué)知識進(jìn)行整合．[2]

就物理學(xué)科而言,其本身就與技術(shù)和工程有潛在的聯(lián)系,[3]我國《普通物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中,雖然沒有將工程技能作為教學(xué)目標(biāo),但情境整合可以作為中學(xué)物理教學(xué)中開展STEM教育的主要參考模式．學(xué)生通過教師創(chuàng)設(shè)的物理情境,經(jīng)歷理論回顧、問題分析、方案設(shè)計(jì)、模型制作以及改進(jìn)應(yīng)用等步驟,逐步學(xué)會運(yùn)用物理學(xué)知識解決實(shí)際的工程技術(shù)問題．

2 “生活中的圓周運(yùn)動”設(shè)計(jì)案例

以人教版高中物理必修2第5章“生活中的圓周運(yùn)動”為例,展示基于STEM教育模式的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)．

2.1 情境引入,設(shè)置問題

播放視頻： 教師播放膠濟(jì)鐵路脫軌事故新聞,通過新聞案例,創(chuàng)設(shè)物理情境,引導(dǎo)學(xué)生思考為何火車超速會引起脫軌．

設(shè)計(jì)意圖:利用真實(shí)的新聞案例,給學(xué)生強(qiáng)烈的視覺沖擊,激發(fā)研究興趣．

2.2 知識講解,理清思路

演示實(shí)驗(yàn)1： 教師演示水流星實(shí)驗(yàn),即提著水桶使其在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動．學(xué)生觀察桶內(nèi)水的運(yùn)動狀態(tài)．教師提問:水為什么沒有灑出來?

圖1

受力分析： 教師帶領(lǐng)學(xué)生以桶運(yùn)動至最高點(diǎn)為例進(jìn)行受力分析(如圖1),引導(dǎo)學(xué)生得出重力,桶底的彈力提供了向心力,且重力全部提供了向心力,因此水未灑出．教師追問:如果減慢環(huán)繞速度,實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?

演示實(shí)驗(yàn)2： 教師減慢速度環(huán)繞水桶,環(huán)繞過程中水灑出．教師提問:為何速度減慢,水會灑出來?

教師提問:根據(jù)這一思路,能否解決火車脫軌問題?

設(shè)計(jì)意圖:注重學(xué)生的前認(rèn)知,引導(dǎo)學(xué)生在前認(rèn)知基礎(chǔ)上進(jìn)行深層加工．通過分析生活中的物理情景和兩次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,對向心力概念、公式進(jìn)行回顧,強(qiáng)化其科學(xué)基礎(chǔ)(S),再將公式與實(shí)際問題相結(jié)合,幫助學(xué)生理清解決圓周運(yùn)動問題的基本思路,即① 找到向心力的來源即提供量; ② 計(jì)算向心力的需求量; ③ 根據(jù)提供量、需求量的關(guān)系判定能否做圓周運(yùn)動．若不能,判斷哪一方出現(xiàn)問題,以此為切入點(diǎn)展開分析．

2.3 分析問題,協(xié)同設(shè)計(jì)

展開推測： 學(xué)生運(yùn)用上述思路推測，火車脫軌的根本原因是向心力的供求關(guān)系失衡．此時(shí)教師提問:鐵軌是如何作用于火車的?并向?qū)W生展示實(shí)際鐵軌和火車車輪接觸位置的細(xì)節(jié)圖(如圖2)．

演示實(shí)驗(yàn)3： 教師演示改造過車輪的四驅(qū)車經(jīng)過帶有護(hù)圈(用紙條黏貼而成)的水平彎道,以重現(xiàn)脫軌事故(如圖3)．實(shí)驗(yàn)中小車沖出了軌道且沖破護(hù)圈(如圖4)．證明小車對鐵軌有向外的作用力．此時(shí)學(xué)生根據(jù)牛頓第三定律,可得知鐵軌對四驅(qū)車有向內(nèi)的壓力(如圖5),該力即為火車轉(zhuǎn)彎時(shí)向心力的來源．

圖2圖3

圖4圖5

圖6

提出工程問題： 教師展示實(shí)際鐵軌的鋪設(shè)狀況(如圖6),讓學(xué)生看到鐵軌僅通過道釘固定在石墩上,并不能承受太大的壓力,即這樣的鐵軌存在安全隱患．此時(shí)教師提問:若你是工程師,該如何設(shè)計(jì)鐵路軌道來消除脫軌隱患?

提出猜想： 教師引導(dǎo)學(xué)生思考，既然軌道對輪緣的壓力不能提供足夠的向心力,是否可以通過改造鐵軌,使其他力幫助提供向心力．

理論推斷： 教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到，在火車前進(jìn)轉(zhuǎn)彎時(shí),重力的方向不可改變,牽引力、阻力的方向時(shí)刻與火車前進(jìn)的方向相同或相反,因此只有支持力的方向可以改變．此時(shí)提出問題:如何改變支持力的方向?

提出方案： 學(xué)生提出通過抬高外側(cè)鐵軌,使支持力向內(nèi)傾斜．

實(shí)施方案： 教師邀請學(xué)生上講臺,按照上述方案,將教師的實(shí)驗(yàn)器材稍加改進(jìn),并再次實(shí)驗(yàn)(如圖7)．實(shí)驗(yàn)中四驅(qū)車以同樣速度經(jīng)過軌道,不再脫軌．

理論分析： 教師引導(dǎo)學(xué)生對火車進(jìn)行受力分析,當(dāng)軌道傾斜后,重力和支持力的合力共同提供了向心力,彌補(bǔ)了向心力來源上的不足,因此火車安全通過彎道(如圖8)．

圖7圖8

設(shè)計(jì)意圖:以實(shí)物圖片和事故重現(xiàn)的方式,幫助學(xué)生自主找到火車轉(zhuǎn)彎時(shí)向心力的來源,為學(xué)生繼續(xù)研究問題建立自信；引導(dǎo)學(xué)生從工程師的角度,對比理論分析和實(shí)際情況,并逐步將學(xué)生引導(dǎo)至對軌道鋪設(shè)這一工程問題(E)的思考角度,找到解決問題的辦法,將物理概念與工程技術(shù)充分結(jié)合,使學(xué)生對向心力的概念和公式能有更加深入的理解．

2.4 制作模型,驗(yàn)證方案

圖9

制作模型： 學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案,并利用準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)材料分小組制作模型(如圖9),讓小車經(jīng)過制作的彎道,觀察是否發(fā)生脫軌．

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生真正動手操作,將自己設(shè)計(jì)的方案通過模型得以實(shí)現(xiàn)和證明,體驗(yàn)STEM教育模式的樂趣,強(qiáng)化概念,同時(shí),學(xué)生在制作過程中可能會暴露出即使墊高軌道也會脫軌的問題,為下面數(shù)學(xué)推導(dǎo)階段奠定基礎(chǔ)．

2.5 數(shù)學(xué)推導(dǎo),定量計(jì)算

總結(jié)提升： 教師總結(jié)各小組實(shí)驗(yàn)情況,并指出有的小組制作的軌道仍然會出現(xiàn)脫軌這一問題,從而提出，作為工程師,應(yīng)定量考慮轉(zhuǎn)彎速度與軌道傾角的數(shù)學(xué)關(guān)系,真正讓學(xué)生從工程師的視角處理問題．

設(shè)置問題： 教師設(shè)置定量問題:設(shè)一列質(zhì)量為100t的火車在傾角為30°,軌道半徑為400m的彎道上行駛時(shí),若鐵軌不受側(cè)向壓力,則此時(shí)火車的速度為多大?

技術(shù)提升： 教師帶領(lǐng)學(xué)生,利用幾何畫板這一軟件技術(shù)(T),讓學(xué)生將火車速度v,軌道傾角θ之間的動態(tài)關(guān)系圖得以呈現(xiàn)(如圖10)．

設(shè)計(jì)意圖:工程問題離不開準(zhǔn)確的計(jì)算,通過量化問題的設(shè)計(jì),在應(yīng)用軟件技術(shù)(T)的同時(shí),強(qiáng)化了學(xué)生數(shù)學(xué)計(jì)算能力(M),并定量地體會到軌道傾角與軌道能夠承受的火車最大速度之間的關(guān)系,促進(jìn)對知識的深層次理解．

圖10

3 教學(xué)反思

相較于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的三維目標(biāo),STEM教育模式則要求教師從更加整合化的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)4個(gè)方面來綜合制定教學(xué)目標(biāo),以問題驅(qū)動為導(dǎo)向,讓學(xué)生經(jīng)歷理論回顧、問題分析、方案設(shè)計(jì)、模型制作以及改進(jìn)應(yīng)用等過程．在STEM教育模式應(yīng)用過程中,實(shí)驗(yàn)材料的易用性,可獲得性也尤為重要,正如文中所示,教師應(yīng)盡量尋求學(xué)生身邊的、熟知的材料加以改造和利用,并合理引導(dǎo),方能最大限度培養(yǎng)學(xué)生動手解決工程技術(shù)問題的能力,充分發(fā)揮STEM教育模式的優(yōu)勢．

參考文獻(xiàn)：

1 彭聰,王晶瑩. 美國STEM教育實(shí)施策略的研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(3): 18-21.

2 T J Moore, K A Smith. Advancing the state of the art of STEM Integration[J]. Journal of STEM Education, 2014, 15(1): 5-10.

3 謝麗,李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實(shí)踐[J].物理教師,2017,38(4): 2-4.