翁宗琮

一、問題的提出

新課程改革對中學(xué)物理教學(xué)提出了全新的教學(xué)理念，首先是培養(yǎng)中學(xué)生了解并采用科學(xué)家的探究精神發(fā)現(xiàn)和解決物理問題，全面發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。其次是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會細(xì)致觀察生活中的物理現(xiàn)象，實現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的STS教學(xué)理念。第三是通過多種學(xué)習(xí)與探究方式讓學(xué)生發(fā)揮自身的想象力與創(chuàng)造力發(fā)現(xiàn)和解決物理問題。探究性實驗，是指學(xué)生在不知道實驗結(jié)果的前提下，以教師所給的啟發(fā)性問題為指導(dǎo)，通過實驗設(shè)計、實驗操作、思考分析得出結(jié)論的實驗形式。由學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗物理探究過程，不僅可以獲得物理知識與技能，還可以激發(fā)對物理的學(xué)習(xí)興趣。通過了解物理探究的方法，知道物理的本質(zhì)，形成科學(xué)精神和科學(xué)價值觀，從而全面發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

STEM教育(STEM Education)源于美國。美國科學(xué)教育學(xué)者最早于20世紀(jì)50年代提出科學(xué)素養(yǎng)概念，并得到了其他國家科學(xué)教育學(xué)者的普遍認(rèn)同；到20世紀(jì)90年代，美國國家科學(xué)基金會首次使用STEM描述涉及一至多門STEM學(xué)科的事件、政策、項目或?qū)嵺`;在小布什總統(tǒng)兩屆任期內(nèi)，STEM作為新概念不斷出現(xiàn)在美國各種改革政策和項目甚至法律中；奧巴馬總統(tǒng)執(zhí)政之后，對STEM教育的重視提升到新的層次。上任初，他便頒布了《美國振興及投資法案》，將增加財政投入支持STEM教育寫進法案；值得注意的是，美國STEM教育的推廣不是在政府指導(dǎo)下單純依靠學(xué)校推動，而是動員了全社會特別是企業(yè)界的力量(中國教育信息化網(wǎng)，2018)。物理探究實驗在實質(zhì)上是一種模擬性探究活動。具體而言是一個以學(xué)生為主體的探究學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生通過經(jīng)歷與科學(xué)家進行科學(xué)探究相似的過程，學(xué)習(xí)物理知識與技能，體驗科學(xué)探究的樂趣，領(lǐng)悟科學(xué)的精神和思想。對于中學(xué)生而言，物理探究實驗有利于在物理新課程的教學(xué)活動中，讓學(xué)生體會從自然到物理，從生活到物理的STS理念，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究求知精神、實踐能力以及創(chuàng)新思維。因此，在中學(xué)物理演示實驗過程中引入STEM理念指引下的Arduino傳感器平臺等，不僅能夠幫助學(xué)生更加直觀地理解物理實驗的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更能夠提高物理教師自身的專業(yè)化發(fā)展。

二、STEM理念下中學(xué)物理演示實驗的設(shè)計原則

STEM教育既有堅實的教育理論和教學(xué)實踐基礎(chǔ)，又是技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動力，而物理演示實驗是中學(xué)物理教學(xué)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，把STEM理念應(yīng)用到中學(xué)階段的物理教育，更是全新的嘗試。所以，綜合STEM課程的創(chuàng)新、靈活、開放等特點，在“眾創(chuàng)時代”隨著項目學(xué)習(xí)的展開，越來越受到物理教育研究人員的青睞。筆者希望能借助STEM教育理念在本校開展以傳感器演示物理實驗為教學(xué)基礎(chǔ)的物理實驗課堂教育實踐活動，為本校學(xué)生的物理學(xué)習(xí)找到自己可以持續(xù)發(fā)展的道路，從而把更多的學(xué)生培養(yǎng)成具有科學(xué)創(chuàng)新探究精神的人才。筆者認(rèn)為，STEM理念下中學(xué)物理演示實驗的設(shè)計應(yīng)遵循以下幾個原則。

1.科學(xué)性原則

首先，搭載傳感器的物理創(chuàng)新演示實驗設(shè)計不能出現(xiàn)科學(xué)性錯誤，不可以展示錯誤的物理概念和科學(xué)原理。其次，要遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，用實時呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)對學(xué)生的初次認(rèn)知形成良性刺激。能夠創(chuàng)造條件讓學(xué)生親自動手的實驗一定要讓學(xué)生親自嘗試操作，畢竟每個學(xué)生對知識的認(rèn)知和接受過程存在比較大的差異性。堅持創(chuàng)新演示實驗只能起到輔助學(xué)習(xí)的作用，數(shù)字化實驗不能取代傳統(tǒng)物理實驗的作用，只能輔助教師的教、學(xué)生的學(xué)。以壓力傳感器為例，通過這個傳感器可以直接讀取物體對水平面所產(chǎn)生的壓力(即物體的重力)，但是這個演示實驗不能直接代替學(xué)生對彈簧測力計的認(rèn)知與使用，只能在特定的場合使用。學(xué)生對于彈簧測力計的使用方法與讀數(shù)方法還是要熟悉和掌握的。

2.悅納性原則

創(chuàng)新物理演示實驗的設(shè)計應(yīng)該做到使大部分教師和學(xué)生對實驗?zāi)康囊荒苛巳?，是為了更加?zhǔn)確與直接地讀取數(shù)據(jù)從而驗證探究實驗的準(zhǔn)確性，這樣的創(chuàng)新物理實驗才有應(yīng)用價值，同時還要經(jīng)得起實踐的檢驗。同時，中學(xué)物理教育非常注重思維的敏捷性，注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。創(chuàng)新物理演示實驗的設(shè)計應(yīng)該注重把物理實驗中的重要難點以及解決實際問題的思路以最簡約的方式傳達(dá)給學(xué)生。

3.實用性原則

創(chuàng)新物理演示實驗的設(shè)計應(yīng)該充分考慮教學(xué)目標(biāo)、實驗內(nèi)容、學(xué)習(xí)材料、實驗特點、學(xué)習(xí)對象等相關(guān)因素，切忌為了讓實驗更加高大上而故意使用可有可無的傳感器。創(chuàng)新物理演示實驗設(shè)計的最終教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生有步驟、有計劃地收集實驗數(shù)據(jù)，認(rèn)真分析實驗內(nèi)容與教學(xué)材料，根據(jù)傳感器反饋回來的真實數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生理解實驗原理、掌握認(rèn)知難點、理解物理探究實驗的內(nèi)涵。創(chuàng)新物理演示實驗的設(shè)計應(yīng)該能夠幫助找出學(xué)生的認(rèn)知難點，結(jié)合認(rèn)知規(guī)律從而采用不同的設(shè)計方案和教學(xué)方法。實驗所展示的數(shù)據(jù)也要留下思考的余地，注重培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、設(shè)計實驗的能力，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動機，以提高物理實驗教學(xué)效率。

三、STEM理念下中學(xué)物理演示實驗的設(shè)計案例—中學(xué)物理(2012人教版)

1.Arduino搭載溫度傳感器—適用于第三章《物態(tài)變化》中的熔化與凝固、汽化與液化等知識的講解

熔點和凝固點是物理學(xué)中兩個密切相關(guān)的概念?，F(xiàn)行義務(wù)教育教材各類版本在編排本節(jié)內(nèi)容時，大都采用通過做海波熔化演示實驗，結(jié)合熔化圖像推出熔點定義，結(jié)合凝固圖像推導(dǎo)出凝固點定義，進而得到結(jié)論：“同一種物質(zhì)(晶體)的凝固點和它的熔點相同?！比欢?dāng)具體操作此項實驗時，發(fā)現(xiàn)并非如此。面對實驗出現(xiàn)的現(xiàn)象和教材中的結(jié)論，筆者選擇利用溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度計進行物態(tài)變化的相關(guān)探究實驗，同時在高清攝像頭的輔助下，學(xué)生可以更清晰地觀察海波的熔化過程(如圖1所示)。

圖1 溫度傳感器支持的海波熔化溫度探究演示實驗

海波(硫代硫酸鈉Na2S2O3?5H2O)是一種熔點為48℃的無機鹽晶體。傳統(tǒng)的物理探究實驗通過觀察溫度計的示數(shù)變化使學(xué)生認(rèn)識、理解晶體在熔解和凝固過程中保持溫度不變的特性。但是受海波的純度和海波顆粒大小的影響，在課堂實時演示海波的熔化與凝固實驗過程中，學(xué)生很難觀察到溫度計在48℃的位置有短時間的停留，因此筆者采用溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度計，讓學(xué)生能夠更加清晰地觀察到海波熔化與凝固時的溫度變化。

2.Arduino搭載超聲波傳感器——適用于第二章《聲現(xiàn)象》中的超聲波知識以及第一章《機械運動》講解幫助學(xué)生理解速度的定義

圖2 超聲波傳感器支持的測距儀

中學(xué)物理(2012人教版)八年級(上)教材第二章《聲現(xiàn)象》第二節(jié)《聲音的特性》中對超聲波與次聲波有如下的解釋：“高于20 000 Hz的聲音叫作超聲波,低于20 Hz的聲音叫作次聲波；大象可以用次聲波交流，地震、火山爆發(fā)、臺風(fēng)、海嘯等都伴有次聲波發(fā)生，一些機器在工作時也會產(chǎn)生次聲波；蝙蝠可以發(fā)出超聲波。”學(xué)生對這種無法直接聆聽的超聲波會覺得感知模糊，雖然教材對超聲波的應(yīng)用也作了相應(yīng)的解釋，但是在對學(xué)生的中學(xué)物理學(xué)習(xí)方法的問卷調(diào)查與訪談中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對超聲波的認(rèn)識不夠直觀。如果能有一種設(shè)備比較直接地反映超聲波的存在與應(yīng)用，則能夠在課堂上幫助學(xué)生更好地認(rèn)識超聲波的概念。

利用Arduino搭載超聲波傳感器，利用Arduino將傳感器反饋回來的信息通過數(shù)字液晶顯示屏顯示出障礙物的距離。這款簡單的測距設(shè)備可以讓學(xué)生比較直觀地觀察出液晶屏顯示出的數(shù)字距離之所以會不斷地變化的原因，是由于利用的超聲波對障礙物的反射特性，可以讓學(xué)生對超聲波的存在留下比較深刻的印象，并極大提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣(如圖2所示)。

3.Arduino搭載壓力傳感器—適用于第十一章《功和機械能》

中學(xué)物理(2012人教版)第十一章《功和機械能》中提到了“重力勢能”這一概念，課標(biāo)對這一章節(jié)有以下一些要求：“3.2.2知道機械功和功率。用生活中的實例說明機械功和功率的含義。3.2.1知道動能、勢能和機械能。通過實驗，了解動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化。舉例說明 機械能和其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化?！痹趯嶋H教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)片斷的演示實驗無法讓學(xué)生對于重力勢能有比較系統(tǒng)的理解，學(xué)生看了演示實驗后仍然無法明白，重力勢能的大小是如何區(qū)分以及難以區(qū)分影響重力勢能大小的因素。希望能夠以一種數(shù)字化顯示的方式體現(xiàn)重力勢能的大小，讓重力勢能大小的改變以具體數(shù)字的形式進行體現(xiàn)，從而幫助學(xué)生更好地理解影響重力勢能大小的因素，所以使用Arduino主板搭載壓力傳感器實現(xiàn)這一目的。

利用Arduino搭載壓力傳感器，通過改變下落物體的質(zhì)量以及下落物體的高度，撞擊壓力傳感器產(chǎn)生的不同數(shù)值，模擬重力勢能的變化，引導(dǎo)學(xué)生探究與分析影響重力勢能大小的因素，可以讓學(xué)生對重力勢能的概念留下比較深刻的印象，并極大提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣(如圖3所示)。

圖3 Arduino支持下探究影響重力勢能大小因素的裝置

4.Arduino搭載紅外線傳感器—適用于第八章《運動與力》中牛頓第一定律的講解

關(guān)于牛頓第一定律的課程標(biāo)準(zhǔn)解讀為：(1)在課程目標(biāo)上注重提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)：牛頓第一定律深刻揭示了運動與力的關(guān)系，是人類對世界本質(zhì)規(guī)律認(rèn)知的成果。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)的過程中應(yīng)樹立起對科學(xué)、真理的追求。(2)在課程實施上注重自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化：本節(jié)內(nèi)容的難度中等，適合學(xué)生自主討論學(xué)習(xí)，并運用所學(xué)知識解決問題，解釋生活中的現(xiàn)象。(3)在課程結(jié)構(gòu)上重視基礎(chǔ)，體現(xiàn)課程的選擇性：牛頓第一定律是整個力學(xué)的基礎(chǔ)，把最基本的勻速直線運動和物體是否受力聯(lián)系起來，確立了力和運動之間的關(guān)系，是前面力的作用效果的延伸，又為學(xué)習(xí)二力平衡的知識打下了基礎(chǔ)，起著承前啟后的作用。因此制作一個裝置，可以將小球在同一高度滾下來接觸不同粗糙程度的介質(zhì)時速度的變化用數(shù)字化的形式表現(xiàn)出來，使實驗現(xiàn)象更加直觀、明顯。

這個作品的制作過程先是利用木板搭建一個支架，然后利用廢舊的塑料線槽做一個軌道用于小球從同一高度滾下，再利用一個相對較小的線槽做一個小球滾動的彎曲軌道，目的是讓小球在進入不同粗糙程度的介質(zhì)表面時，減小高度差，因為鋪上介質(zhì)時會墊高接觸表面，所以小的塑料軌道可以和墊高的介質(zhì)表面平穩(wěn)對接。再利用兩個紅外線傳感器測量小球通過的時間，最后利用Arduino主板實時計算出小球在不同的介質(zhì)表面通過的速度，并通過這個液晶顯示屏顯示出來(如圖4所示)。

圖4 搭載紅外線傳感器的牛頓第一定律演示裝置

四、STEM理念下中學(xué)物理演示實驗的實踐效果

筆者在2017學(xué)年中學(xué)物理八年級教學(xué)過程中進行了STEM理念下中學(xué)物理演示實驗的應(yīng)用，對象為來自廣州市第一二三中學(xué)的8個教學(xué)班360人。經(jīng)過2個學(xué)期的實驗，在學(xué)期末利用問卷調(diào)查和訪談的方法分析了學(xué)生對于創(chuàng)新物理實驗的接受程度(見表1)。

表1 學(xué)生對于STEM理念指引下創(chuàng)新物理實驗的接受程度

在針對不同層次的學(xué)生進行的訪談中，學(xué)生普遍對創(chuàng)新物理實驗很感興趣。尤其對實時展現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)并進行分析興趣濃厚，這與初中的學(xué)生所具有的喜愛分享、喜歡展示自己的個性有很大的關(guān)系。此外創(chuàng)新物理實驗很大程度上允許學(xué)生自主探究和學(xué)習(xí)，這讓本來生硬的知識通過信息化的環(huán)境變得生動有趣。實驗數(shù)據(jù)可以通過計算機直接顯示在大屏幕上，這就讓大部分學(xué)生都能夠?qū)崟r觀看探究實驗過程，尤其坐在課室最后兩排的學(xué)生，常常因為無法看清教師的實驗演示過程而感到非常苦惱。STEM理念下的物理探究演示實驗，學(xué)生在能夠看清實驗過程的同時，對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。

五、結(jié)語

筆者認(rèn)為，在STEM理念的指引下，物理課堂合理地運用Arduino傳感器進行輔助，有助于創(chuàng)設(shè)有趣探究的課堂氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的主體參與意識，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主性，更能有效地參與物理學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握物理的積極性變得更高。通過信息技術(shù)手段的輔助，學(xué)生能更靈活地應(yīng)用所學(xué)物理知識，對物理探究性問題的解決更有幫助。