劉曉利 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

STEM教育是國(guó)際科學(xué)教育改革中倡導(dǎo)的一種學(xué)科整合理念，同時(shí)為我國(guó)物理教育改革提供了新思路.現(xiàn)今開發(fā)STEM教育課程是促進(jìn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)融合的重要途徑.STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)的簡(jiǎn)稱，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)于20世紀(jì)90年代提出[1].隨著STEM概念的不斷發(fā)展，教育者逐漸意識(shí)到了STEM概念背后隱藏的教育價(jià)值，因此STEM教育成為了國(guó)際科學(xué)教育改革中倡導(dǎo)的一種學(xué)科整合理念.STEM教育強(qiáng)調(diào)通過跨學(xué)科整合，解決真實(shí)世界的復(fù)雜問題，提高學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)現(xiàn)代社會(huì)所需要的、具備STEM素養(yǎng)的創(chuàng)新人才.STEM教育為我國(guó)物理教育改革提供了新的研究思路，但我國(guó)高中階段設(shè)置的學(xué)科屬于分科教學(xué)，因此我國(guó)發(fā)展和落實(shí)STEM教育應(yīng)該走與學(xué)科相結(jié)合的道路，STEM教育課程的開發(fā)和設(shè)計(jì)應(yīng)該以原有的學(xué)科課程為載體，進(jìn)而融入STEM教育理念[2].余勝泉等人(2015)在前人研究的基礎(chǔ)上，歸納了STEM教育的9個(gè)核心特征，分別為跨學(xué)科性、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性[3]，這為STEM教育課程的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了思路.物理課程本質(zhì)上是一門科學(xué)課程，是培養(yǎng)學(xué)生理性思維最具有代表性的學(xué)科之一，其本身又與技術(shù)和工程密切聯(lián)系，這為教師在物理教學(xué)中應(yīng)用STEM教育創(chuàng)造了有利條件.

基于STEM教育的高中物理教學(xué)，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生將物理知識(shí)作為載體認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律，解決自然現(xiàn)象“是什么”“為什么”的問題；在尊重自然界規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用工程和技術(shù)的知識(shí)改造世界，解決實(shí)踐中“做什么”“怎么做”的問題；將數(shù)學(xué)作為輔助工具，使科學(xué)、工程和技術(shù)得到更好的發(fā)展.本文以高中物理“液壓傳動(dòng)”的教學(xué)為例，從創(chuàng)設(shè)情境、協(xié)作探究、設(shè)計(jì)制作和評(píng)價(jià)反思4個(gè)方面，探討基于STEM教育的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)，凸顯STEM教育的本質(zhì)，提升學(xué)生的STEM 素養(yǎng).

1 創(chuàng)設(shè)情境——提出制作任務(wù)

教師利用多媒體播放視頻：炎熱的夏天，正在行駛的汽車突然爆胎，司機(jī)拿出“神秘工具”，如圖1所示，反復(fù)地提拉、按壓手柄，頂起笨重的汽車，成功置換車胎.教師向?qū)W生介紹該“神秘工具”是生活中常用的液壓千斤頂，并提出制作任務(wù)，以小組為單位設(shè)計(jì)和制作液壓千斤頂模型.

圖1 液壓千斤頂工作示意圖

設(shè)計(jì)意圖：STEM教育強(qiáng)調(diào)解決真實(shí)情境的問題，而真實(shí)情境是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素.播放生活中使用液壓千斤頂?shù)囊曨l，將課堂與真實(shí)的情境相連，有利于激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的視覺興趣和操作興趣，促使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到課程的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)與制作中.

2 協(xié)作探究——建構(gòu)物理知識(shí)

學(xué)生設(shè)計(jì)和制作液壓千斤頂模型，首先需要掌握液壓傳動(dòng)的概念和工作原理.本文基于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，將引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷提出問題→收集證據(jù)→解釋交流3個(gè)環(huán)節(jié)，通過協(xié)作探究的方式科學(xué)地建構(gòu)物理知識(shí)，為設(shè)計(jì)和制作液壓千斤頂模型奠定理論基礎(chǔ).

2.1 提出問題

教師首先利用簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置，如圖2所示，采用機(jī)械工程中的表述，引導(dǎo)學(xué)生了解液壓傳動(dòng)是一種通過液體傳遞動(dòng)力的方式；然后在大小活塞上分別放400 g和200 g的重物，演示輕的物體可以托起重的物體，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、提出問題：為什么借助簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置，輕的物體可以托起重的物體?

圖2 利用簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置演示輕物體可以托起重物體

2.2 收集證據(jù)

如圖3所示，教師組織學(xué)生兩人一組利用簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置進(jìn)行“大力士PK”的小游戲，使學(xué)生親身體驗(yàn)施加在活塞上的力和活塞大小之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生提出猜想：影響兩個(gè)活塞上壓力的大小可能與活塞的橫截面積有關(guān).

圖3 利用簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置進(jìn)行“大力士PK”的小游戲

接著教師組織學(xué)生以小組為單位探究?jī)蓚€(gè)活塞上壓力的大小與活塞橫截面積的關(guān)系，驗(yàn)證猜想的正確性.通過激烈的討論，不同小組的學(xué)生設(shè)計(jì)的探究方案不同.

例如，A小組提出利用圖2所示的簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保證活塞的橫截面積不變，在提前設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)表格中記錄活塞的橫截面積和活塞的質(zhì)量，然后分別在大小活塞上分配重物，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，記錄活塞上重物的質(zhì)量，并分別換算出活塞受到的壓力大小，如表1所示.

表1 A小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表(g=9.8 m/s2)

圖4 A小組利用Excel軟件數(shù)據(jù)擬合

2.3 解釋交流

教師組織學(xué)生以小組為單位對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行科學(xué)解釋，得到液壓傳動(dòng)的工作原理：作用在兩個(gè)活塞上的壓力大小與活塞的橫截面積成正比，即作用在小活塞上的小壓力通過液體的傳遞在大活塞上得到大壓力，因此小活塞上的200 g重物可以頂起大活塞上400 g的重物.現(xiàn)實(shí)生活中通過液壓傳動(dòng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)輕的物體頂起重的物體.在此基礎(chǔ)上，教師組織學(xué)生交流協(xié)作探究的成果，分享解決問題的思路和方法，使實(shí)驗(yàn)研究的小組和理論探究的小組實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

設(shè)計(jì)意圖：在物理教學(xué)中應(yīng)用STEM教育的前提是學(xué)生必須掌握與物理相關(guān)的理論知識(shí)，教師不能單純地追求學(xué)科之間的整合，而忽視了物理知識(shí)的教學(xué).因此在協(xié)作探究環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生經(jīng)歷提出問題、收集證據(jù)和解釋交流的過程，不僅有助于學(xué)生形成對(duì)液壓傳動(dòng)相關(guān)知識(shí)的深層理解，還能使學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法.與此同時(shí)，學(xué)生在開放的學(xué)習(xí)環(huán)境中共同動(dòng)手、動(dòng)腦參與學(xué)習(xí)過程，還有利于發(fā)揮特長(zhǎng)，鍛煉分析問題和處理問題的能力.此外，解決問題方法的多樣性促進(jìn)了學(xué)生批判性思維和創(chuàng)造性思維的發(fā)展.

3 設(shè)計(jì)制作——實(shí)現(xiàn)學(xué)科整合

設(shè)計(jì)制作是學(xué)生以液壓傳動(dòng)的工作原理為載體完成制作任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).本文首先利用Adobe Flash Professional軟件自制Flash動(dòng)畫，采用全班協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，啟發(fā)學(xué)生通過改進(jìn)簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置，得到液壓千斤頂?shù)年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)；然后組織學(xué)生以小組為單位制作液壓千斤頂模型.

3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)液壓千斤頂?shù)年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)1：建造單向閥1

教師通過演示簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置，按壓小活塞，大活塞上升，模擬頂起重物的過程；提拉小活塞，大活塞下降，不能頂起重物，進(jìn)而提出問題.

師：怎樣改進(jìn)簡(jiǎn)易液壓傳動(dòng)裝置，使大針筒里的液體不能流回小針筒呢?

生：(學(xué)生分組討論)在中間的導(dǎo)管上放個(gè)夾子.

師：其實(shí)不讓液體流動(dòng)，我們可以在大液缸和小液缸之間加一個(gè)單向閥，如圖5所示.單向閥是工程機(jī)械中常用的一個(gè)裝置，如圖6所示，僅允許油液沿一個(gè)方向流動(dòng)，不允許反向倒流.當(dāng)液體往上流，沖開紅色的小球，通路導(dǎo)通；當(dāng)液體往下流，紅色的小球堵住管口，通路斷掉.

圖5 建造單向閥1

圖6 單向閥

設(shè)計(jì)2：建造儲(chǔ)油池

教師引導(dǎo)學(xué)生分析頂起重物，需要源源不斷地通過小液缸給大液缸提供油液，就要設(shè)計(jì)一個(gè)儲(chǔ)油池與小液缸相連接，如圖7所示.

圖7 建造儲(chǔ)油池

設(shè)計(jì)3：建造單向閥2

教師引導(dǎo)學(xué)生分析提拉小活塞，單向閥1關(guān)閉，儲(chǔ)油池中的液體單向的流入小液缸，按壓小活塞，小液缸中的液體又流回儲(chǔ)油池，提出問題.

師：怎樣設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油池中的液體只能單向的流入小液缸，而不能反向的流回儲(chǔ)油池呢?

生：在儲(chǔ)油池和小液缸之間也加一個(gè)單向閥,如圖8所示.

然后引導(dǎo)學(xué)生了解提拉小活塞，單向閥2打開，儲(chǔ)油池中的液體單向的流入小液缸，按壓小活塞，單向閥2關(guān)閉，單向閥1打開，小液缸中的液體單向的流入大液缸.反復(fù)的提拉、按壓，就可以頂起大活塞上的重物.

圖8 建造單向閥2

設(shè)計(jì)4：建造截止閥

師：大家怎么設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)重物自然下降?請(qǐng)從環(huán)保和循環(huán)利用的角度分析.

生：(學(xué)生分組討論)在大液缸和儲(chǔ)油池之間加一條通路，使大液缸中的液體可以流回小液缸.

師：可是只加一通路，大液缸中的液體會(huì)一直流回小液缸，這樣頂不起汽車啊?

生:在大液缸和儲(chǔ)油池之間加一個(gè)類似“水龍頭”的開關(guān)，頂起重物的時(shí)候，關(guān)閉水龍頭，重物下降時(shí)，打開水龍頭.

師：“水龍頭”其實(shí)叫做截止閥，大家的想法非常好！在液壓千斤頂工作時(shí)，截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候我們打開截止閥，重物就會(huì)下降了，目前為止我們得到了液壓千斤頂完整的工作結(jié)構(gòu)，如圖9所示.

圖9 液壓千斤頂工作示意圖

設(shè)計(jì)意圖：液壓千斤頂?shù)墓ぷ鹘Y(jié)構(gòu)和工作原理比較復(fù)雜，學(xué)生需要具備工程學(xué)和技術(shù)的知識(shí)，因此采用全班協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，降低課程學(xué)習(xí)的難度.在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生充當(dāng)“設(shè)計(jì)師”，在教師的引導(dǎo)下通過4項(xiàng)設(shè)計(jì)，逐步地得到液壓千斤頂?shù)年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)和工作原理，為制作模型提供技術(shù)保障.

3.2 分組制作液壓千斤頂模型

教師組織學(xué)生以小組為單位制作液壓千斤頂模型，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，遵循取材容易、制作簡(jiǎn)單、無需較多資金的原則，向?qū)W生提供制作所需要的材料和工具.學(xué)生首先需明確作品想要實(shí)現(xiàn)的演示效果，然后根據(jù)預(yù)期效果→繪制草圖→制作模型→檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀倪M(jìn)模型.下面以C小組設(shè)計(jì)的作品進(jìn)行具體的闡述.

(1)預(yù)期效果

基于液壓傳動(dòng)的工作原理和液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟恚珻小組的同學(xué)決定借助液壓千斤頂模型，實(shí)現(xiàn)用小力將人頂起來.

(2)繪制草圖

該組同學(xué)通過討論，利用CAD繪圖軟件設(shè)計(jì)出模型的立體草圖，如圖10所示，其中大液缸由4個(gè)200 mL的針筒組成，小液缸為20 mL的針筒，實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)比約為1∶32；液壓千斤頂模型的框架采用長(zhǎng)方體木架；單向閥1和截止閥是不銹鋼材質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗壓能力，能夠承受大液缸中液體的壓力.

圖10 液壓千斤頂模型草圖

(3)制作模型

在教師的幫助下C小組尋找到了合適的制作材料，根據(jù)設(shè)計(jì)的草圖，分工合作，開始制作液壓千斤頂模型.經(jīng)過不斷地嘗試，初次制成成品.

(4)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

反復(fù)提拉、按壓小活塞，C小組成員卻發(fā)現(xiàn)4個(gè)大針筒的活塞不能同時(shí)升起，裝置的穩(wěn)定性較差.通過組內(nèi)討論，他們認(rèn)為4個(gè)大針筒的活塞在升起的過程中受到的阻力不同，因此無法同時(shí)升起.

(5)改進(jìn)模型

在老師的啟發(fā)下，C小組決定利用螺絲釘，將4個(gè)大針筒的活塞與一塊木板釘在一起,如圖11所示，得到改進(jìn)后的模型，如圖12所示.經(jīng)過調(diào)試，4個(gè)大針筒的活塞可以同時(shí)升起，并達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用小力將人頂起來.

圖11 大活塞制作細(xì)節(jié)圖

圖12 液壓千斤頂模型

設(shè)計(jì)意圖：STEM教育要求學(xué)習(xí)產(chǎn)出環(huán)節(jié)包含設(shè)計(jì)作品，通過設(shè)計(jì)促進(jìn)知識(shí)的融合與遷移運(yùn)用，通過作品外化學(xué)習(xí)的結(jié)果、外顯習(xí)得的知識(shí)和能力[3].因此設(shè)計(jì)制作環(huán)節(jié)是凸顯STEM教育“設(shè)計(jì)性”的典型環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)學(xué)科整合的關(guān)鍵步驟.學(xué)生在設(shè)計(jì)、制作和改進(jìn)液壓千斤頂模型的過程中，需要以液壓傳動(dòng)的工作原理為載體，利用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算傳動(dòng)比，利用技術(shù)和工程學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定性.因此學(xué)生能夠深層次地參與到學(xué)科整合的過程中，體會(huì)物理學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程結(jié)合的神奇魅力，加深對(duì)科學(xué)技術(shù)的親近感.同時(shí)學(xué)生在參與制作的過程中，能夠不斷地探索解決問題的辦法，增強(qiáng)運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的信心，領(lǐng)會(huì)跨學(xué)科整合的精髓.

4 評(píng)價(jià)反思——促進(jìn)共同提升

評(píng)價(jià)反思是師生交流經(jīng)驗(yàn)、共享成果、共同提升的環(huán)節(jié).教師組織學(xué)生分組展示制作的液壓千斤頂模型，引導(dǎo)學(xué)生從作品的演示效果、外觀、創(chuàng)意等方面進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和組間評(píng)價(jià).同時(shí)教師應(yīng)該對(duì)教學(xué)情況進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，對(duì)好的作品、好的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行表揚(yáng)，并提出學(xué)生在學(xué)科整合過程中的不足和改進(jìn)意見，促進(jìn)學(xué)生反思.

例如在協(xié)作探究環(huán)節(jié)，A小組經(jīng)歷了提出問題、設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集和處理數(shù)據(jù)的探究過程，并將處理數(shù)據(jù)的技術(shù)引入課堂中，為其他同學(xué)提供了數(shù)據(jù)處理的方法.教師應(yīng)該提出表揚(yáng)，鼓勵(lì)其他學(xué)生吸取學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生以多元的視角尋找解決問題的辦法，提升學(xué)生解決問題的能力.與此同時(shí)教師可以根據(jù)A小組擬合的圖像提出問題，引發(fā)全班同學(xué)共同思考：為什么擬合直線存在截距，怎么消除截距減少實(shí)驗(yàn)誤差?

設(shè)計(jì)意圖：STEM教育體現(xiàn)了“整合”的理念，這里的整合不僅包括學(xué)科知識(shí)的整合，廣義上講，也包括不同觀點(diǎn)的整合[4].通過評(píng)價(jià)反思，學(xué)生可以整合不同的觀點(diǎn)，碰撞出思維的火花，發(fā)現(xiàn)自身的問題，獲得他人的建議，在交流與分享的過程中，鍛煉語言組織能力和表達(dá)能力；教師可以反思基于STEM教育進(jìn)行物理教學(xué)時(shí)出現(xiàn)的問題，提出改進(jìn)教學(xué)的策略，提升自身的教學(xué)能力，做到教而有思，思而有得.

眾所周知，我國(guó)STEM教育的發(fā)展正處于起步階段，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究，針對(duì)STEM教育的實(shí)踐探索還較為缺乏，基于STEM教育的高中物理教學(xué)課例并不多.那么在我國(guó)分科教學(xué)的大背景下，如何在課程中真正的應(yīng)用STEM教育，是值得每個(gè)教育工作者迫切思考的問題.本文以“液壓傳動(dòng)”的教學(xué)為例，期望對(duì)基于STEM教育的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)提供可以研究的視角，切實(shí)地提升學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新實(shí)踐的能力.