邱龍斌 張皓晶 張雄 李立 榮爭輝 吳楊峰

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500 )

1 引言

STEM教育是美國教育改革的標志，是國際上教育改革的前沿.其名稱來源于4門學科的英文首字母，即科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)，強調多學科的交叉融合[1].STEM教育提倡的是進行學科間的交叉學習，學習一個知識點，即可以涉及到多個學科的知識.以跨學科、情境性、趣味性、體驗性等為特征，通過探究式合作學習的方式，提高學生實踐和知識遷移能力，培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新精神.要求學生在實際情境中，能夠靈活應用STEM知識[2].培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，把學生培養(yǎng)成為既具有跨學科知識，又有解決實際問題能力的新型人才.結合中學物理課外實驗活動的教學模式，以“自制簡易的水火箭, 分析水火箭工作原理和射程”為例,對STEM教學理念下的中學物理課外實驗活動的教學做出說明.

2 STEM教育與自制水火箭課外活動相結合的教學流程

物理學是一門以實驗為基礎的學科，學生通過實驗可以直觀明了地發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學生的興趣.水火箭的制作與發(fā)射是中學生較為感興趣的，可以利用此實驗探究牛頓第三運動定律、功能關系、反沖運動等物理知識，同時，指導學生應用物理實驗方法中的控制變量法、實驗探究法等.在教學中引入中學化學中的催化劑知識，分析催化劑對水火箭射程的影響，學生在探究催化劑對水火箭射程影響的過程中，一方面驗證了牛頓第三運動定律，解釋了動能勢能相互轉換，理解了反沖運動，另一方面學習了催化劑的相關知識，把化學中的知識運用到了實際生活中.對于傳統(tǒng)的水火箭制作和發(fā)射，學生也是熱情不減，中學生正處在青春期，對于一切新奇事物都懷有好奇之心，通過動手操作的實驗，學生能學到更多的東西，記憶也將更深刻.

在知識點方面，高一的同學已經學過牛頓第三運動定律，知道作用力與反作用力，對于物理知識的建構有一定的認識，高一的課堂上教師也已經講過催化劑和密度的相關知識，同時，學生在初中就了解到控制變量法，為自制簡易水火箭, 分析水火箭工作原理和射程實驗探究奠定了基礎[3].

但教學中也存在一些問題,學生平時所學的牛頓第三運動定律、反沖運動往往是抽象的，對于它們的認知僅僅停留在書本上，對于化學中催化劑的認知也僅僅停留在實驗室里的演示實驗，沒有在實際生活中感受到物理、化學的魅力.

教學流程按照創(chuàng)設情境、明確問題、制定方案、設計制作、實驗探究、分析交流6個階段進行，教學流程如圖1所示.

圖1 教學流程

3 STEM教育與自制水火箭課外活動的教學設計

3.1 教學目標

3.1.1 知識與技能

(1)在實際生活中體會牛頓第三運動定律，了解反沖運動的原理，通過實驗探究，了解影響水火箭發(fā)射的因素.

(2)了解化學中的催化劑與催化機制，感受化學和物理學科之間的交融.

3.1.2 過程與方法

(1)體驗影響水火箭射程因素的實驗探究過程.

(2)形成對物理現(xiàn)象的觀察能力和對實驗數據的分析、歸納、概括、表達能力.

3.1.3 情感態(tài)度與價值觀

(1)通過讓學生都參與到實驗探究中，增強其合作性和凝聚力.

(2)通過實驗，感受科學家對實驗規(guī)律的研究過程，學習科學家對工作嚴肅認真不怕困難的科學態(tài)度.

(3)學會欣賞物理學的簡潔美.

3.2 教學重難點

3.2.1 重點

(1)指導學生自己完成水火箭的制作.

(2)催化劑的反應原理.

(3)對牛頓第三運動定律的理解.

3.2.2 難點

牛頓第三運動定律的實際應用.

3.3 教學過程

3.3.1 課堂導入

教師活動：(1)在課堂上播放中國成功發(fā)射載人航空火箭的視頻，接著播放水火箭的發(fā)射視頻.

(2)設置疑問：為什么水火箭可以飛上天空？

學生活動：(1)觀看火箭發(fā)射視頻，感受國家科技力量的進步.(2)學生產生疑問.

設計意圖：(1)讓學生觀看現(xiàn)象，產生探究欲望，激起學生的學習熱情.(2)讓學生帶著疑問進入課題，啟發(fā)學生能夠獨立思考.

3.3.2 實驗講授

教師活動：給學生講解化學的催化原理.二氧化錳或者碘化鉀可以作為過氧化氫的催化劑，讓過氧化氫的分解速度加快，產生大量的氣體，催化反應方程式見下式.

KI+H2O2→KIO+H2O

學生活動：(1)學生在教師引導下對學過的知識點進行回憶.并回答“牛頓第三定律”是指：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.

(2)學生經過教師的引導，討論得出：水火箭升空是因為受到水和氣體的作用力.

設計意圖：(1)對舊知識的復習，有利于新知識的學習，新舊知識的聯(lián)系有利于學科結構的建立.

(2)通過教師的引導，學生思考，培養(yǎng)學生的獨立思考能力，通過教師的講授，學生可以更清楚地理解實驗原理.

3.3.3 課外實驗活動過程

教師活動：標準型的水火箭系統(tǒng)包括箭頭、箭體、噴嘴和尾翼幾部分.水火箭還需要發(fā)射架，其目的是安全發(fā)射、可控發(fā)射、精準發(fā)射.標準發(fā)射架系統(tǒng)包括剎車線、剎車把、氣管、支架、打氣筒、壓力表.

(1)水火箭箭體的制作

1)收集生活中的常見材料：準備好兩個1.2 L的空可樂瓶子，用清水洗干凈，把外標簽撕掉；準備一塊1 m×1 m的輕木板(巴爾沙木)；準備好螺紋噴嘴(安全起見，最好買一次性成型的)；準備雙面膠若干；準備熱熔膠槍一把，膠條若干，美工刀一把，記號筆一只，鉛筆一支，直尺一把.

3)導流罩做好以后，用雙面膠粘在第二個瓶子底部的周圍，再把切好的導流罩套在粘好雙面膠的底部，用力壓緊即可[4].

4)制作導流板.用鉛筆在巴爾沙木板上畫出4個規(guī)格一樣的梯形(底為15 cm，高為6 cm，兩斜邊分別為20 cm和3 cm)，接著利用美工刀沿著鉛筆線條把導流板切下，利用熱熔膠槍把導流板粘在火箭箭體離噴嘴3 cm處.

5)將螺紋噴嘴擰緊在瓶口，制作好的水火箭如圖2所示.

圖2 自制的水火箭

(2)教師先給學生準備一定量的碘化鉀(分析純)、二氧化錳(分析純)、過氧化氫若干；可以剛好塞進可樂瓶口的小塑料杯4只.

(3)指導學生完成實驗

學生活動：學生根據教師的指導進行實驗，操作如下.

1)分別準備400 mL不同密度的食鹽水.把準備好的密度為0.8的食鹽水加入1.2 L的可樂瓶中，然后將可樂瓶安裝在發(fā)射架子上，利用打氣筒向瓶內打入4.0個大氣壓的氣體，然后發(fā)射.在此條件下依次對密度為1.0,1.2,1.4,1.6的食鹽水進行發(fā)射實驗[5].

2)先把催化劑放入小塑料杯中，接著把過氧化氫溶液加入箭體內，然后把小塑料杯倒著放進去，擰緊噴嘴，最后開始向瓶內加壓，加壓時小塑料杯被推到瓶內溶液中，發(fā)生催化反應，打開手剎，發(fā)射火箭[6].

3)改變催化劑種類，不改變過氧化氫濃度，重復上述發(fā)射操作；不改變催化劑，改變過氧化氫濃度，重復上述發(fā)射操作.

4)用皮尺記錄每一次發(fā)射的距離.

設計意圖：①通過實驗來驗證物理猜想，通過物理知識來解釋物理現(xiàn)象,分析影響射程的因素.

②液體密度對水火箭的影響.增大液體的密度可以增加水火箭的反沖作用力，即水火箭的水平射程隨液體的密度增大而增大.

③催化劑對水火箭的影響.當碘化鉀或者二氧化錳的物質的量一定時，水火箭的水平射程隨著過氧化氫的濃度增加而增加；當過氧化氫的濃度一定時，隨著催化劑的劑量增加，水火箭發(fā)射的水平距離也在增加；同時還可以從測量發(fā)射的距離中看出碘化鉀的催化效果明顯高于二氧化錳，更適合作水火箭發(fā)射的催化劑.

3.3.4 分享總結

教師活動：(1)引導學生進行實驗總結和結果交流.

(2)對學生的總結做出點評，教師應充分肯定學生的總結，并對出現(xiàn)的問題進行討論、糾正.最后做出總結：在同等條件下，加入催化劑，水平射程增加較為明顯；碘化鉀的催化效果明顯高于二氧化錳，更適合作水火箭發(fā)射的催化劑[7].

學生活動：針對實驗過程中存在的問題，學生以小組的形式展開討論,一部分學生回答，一部分學生補充，形成小組間的結論.

設計意圖：通過分享交流，增強學生協(xié)作的能力，同時鞏固了知識，激發(fā)學生的學習熱情.

4 小結

對于地處邊疆少數民族地區(qū)的學生來說，面臨教學資源匱乏、教師技能不嫻熟、教學理念相對滯后的問題，把STEM教學理念應用到物理教育中，有著積極的意義.讓他們體驗到物理學習的樂趣，實驗探究的激情和團隊協(xié)作的快樂，通過類似的探究活動，可以讓學生更好地去關注生活，發(fā)現(xiàn)生活中的物理、化學現(xiàn)象.從學生的情感上、態(tài)度上改變其價值觀，讓他們對學習更有興趣，更加熱情地投入到學習中[8].

我們在云南邊疆民族中學的物理教育實習中, 將STEM教育理念融于自制水火箭課外活動中, 由于自制水火箭成本低廉，學生興趣高，可實施性較強，同時，讓物理和化學課程得到了較好的融合，提高了學生的動手能力，從真正意義上將STEM教學運用在課堂中,很大程度上提高了物理教學趣味性，培養(yǎng)了學生認知發(fā)展和對物理概念的理解.教學實踐表明,成效顯著,作為學生課外活動的探究，有一定的意義.