黃東江

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）的簡稱，STEM教育在美國已有較為成熟的理論研究成果和實踐模式，而在我國正處于起步階段。STEM理念的核心是通過跨學科知識和方法的整合解決真實情境的問題，STEM理念不是簡單的四門學科交錯一起，而是一種系統(tǒng)性的整合。探究性實驗教學的本質是讓學生面對未知的世界和遇到的困難，經(jīng)歷科學探究發(fā)現(xiàn)的過程，在猜想、假設、自主探究過程中構建知識和培養(yǎng)能力。本文以高中物理“探究汽車轉彎”教學為例，按以下四個步驟探討STEM教育與物理探究性實驗教學的整合。

一、真實情境引入，提出探究目的

STEM教育研究項目來自于真實世界的具體問題。在“探究汽車轉彎”課堂上，教師可先展示關于大貨車轉彎時發(fā)生側翻的事故視頻或照片，提醒學生仔細觀察彎道方向和車輛的側翻方向，并提出疑問：貨車為什么會側翻？有什么辦法可以避免貨車側翻？

關于汽車側翻交通事故，學生通過報紙、電視新聞等渠道應有所聞，但學生未必有留意對彎道及側翻的方向進行對比觀察。真實的情境，可以給學生視覺的沖擊，使學生產(chǎn)生解答疑問的好奇心，激發(fā)探究動機。

二、科學知識剖析，明確探究方向

物理學科知識是實施STEM教育的重要載體，學科知識的應用是STEM教育的目標之一。學生首先應能透過現(xiàn)象理解其中蘊含的物理知識和原理，建立物理模型，即首先解決所面臨的情境“是什么”和“為什么”的問題。通過教師的啟發(fā)，學生不難說出，汽車轉彎其實是看做圓周運動的一部分，由此所涉及到的物理學科知識有圓周運動、線速度、向心力、離心現(xiàn)象等。

由前面所學知識可知，向心力的計算公式F=mv2r，將此計算公式運用于實際問題，存在“供”與“求”的關系。由此公式計算得出的量是屬于勻速圓周運動的“需求量”，而能否保持這樣的狀態(tài)做勻速圓周運動，需看外界對該物體向心力的“供應量”。如兩者不等，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？由公式可知，汽車的質量很大，如轉彎，向心力的需求量會很大，側翻的原因究竟是什么呢？至此，學生的目光自然聚焦在汽車轉彎時所需要的向心力來源上。

三、模擬實驗探究，實現(xiàn)技術應用

受現(xiàn)實條件限制，我們不可能到貨車側翻現(xiàn)場進行勘察和測量，但可在課堂上采用探究性實驗，模擬真實情境再現(xiàn)，模擬采取技術和工程設計方法解決遇到的問題，此環(huán)節(jié)主要是解決實踐中“做什么”和“怎么做”的問題。為了讓學生能逐步深入地探究未知問題，可設計以下環(huán)節(jié)。

1.制作模型

用適當厚度的硬紙皮做一傾斜凹型軌道（長度稍長，方便操作），另一張硬紙皮放在水平桌面上，將其中一邊剪成圓弧形，如圖1所示。并沿著圓弧的邊緣畫兩條平行的曲線，兩條平行的曲線模擬公路的轉彎道。傾斜的凹型軌道底端與“轉彎道”的一端連接，另一端抬高一定的高度并用支架固定，將一小球從斜槽某一固定位置滑下，到達水平面時獲得一定的速度，用小球的滾動模擬汽車的運動。

2.實驗探究

探究活動1：有什么方法可使小球沿著劃定的路徑轉彎？你能想到多少種方法？

設計方案：在彎道外側沿著邊緣擺放一排積木，使小球從斜槽適當高度下滑，滑到水平彎道時，積木對小球的彈力提供轉彎所需的向心力，使小球沿設定的路徑轉彎。改變實驗條件引起現(xiàn)象的變化，可引發(fā)學生思維沖突，持續(xù)激發(fā)學生的探究熱情，也是科學新發(fā)現(xiàn)的來源。接下來，將小球從斜槽的較高位置靜止釋放，當運動到彎道時，小球將積木推出到彎道外側。接著，教師啟發(fā)提問：“為什么會把小積木推出外側？”此分析使學生加深了對轉彎問題中向心力“需求量”與“供應量”關系的認識，增強了學生對汽車側翻原因的直觀認識。

探究活動2：如撤去積木，失去積木的彈力，還有什么方法可使小球轉彎？

設計方案：沿著彎道的內(nèi)側曲線，將紙皮彎道外側向上折起，彎道外側底部塞入橡皮泥固定彎道的傾斜角度。此實驗需兩位同學配合，甲同學負責將小球多次從斜槽上固定的起點下滑，乙同學負責觀察小球滑至轉彎道的運動情況，通過擠壓或填補橡皮泥的方法，多次調(diào)節(jié)轉彎道的外側傾斜度，直至小球剛好能沿傾斜的軌道完成轉彎運動，用連拍相機可以拍攝到小球轉彎運動的過程中的連續(xù)位置照片。

以上實驗在其他條件不變的情況下，將小球從斜槽的較高位置靜止釋放，滑到水平面時，速度變大了，小球向彎道外側方向偏離?？芍?，轉彎軌道的外側傾斜角度與小球運動速度須符合一定的對應關系，小球才能沿軌道轉彎，具體關系如何，需要依靠物理原理結合數(shù)學工具進行精確分析和計算。

四、數(shù)學工具輔助，精確工程設計

數(shù)學運算能力是學生必備的基本能力，運用數(shù)學工具對實際問題進行分析計算正是STEM教育理念中強調(diào)的基本要求?；貧w到真實情境中，分析汽車轉彎向心力的來源，如果轉彎路面是水平的，向心力主要來源于汽車輪胎側向摩擦力，側向摩擦力產(chǎn)生的條件是汽車必須有向外側滑動的趨勢，顯然會對汽車行駛造成一定危險。從模擬探究實驗中，我們得出可以將轉彎路面的外側升高一定的高度，車輛行駛控制一定的速度，即可避免產(chǎn)生側向摩擦力，實現(xiàn)汽車的安全轉彎。

工程的設計，不是一次計算能夠解決的問題，而是需要經(jīng)歷反復的運算論證，才能得出符合技術要求和實際應用的工程方案。在課堂教學中，可更換已知條件和情境，可讓學生經(jīng)歷多種條件下的運算，也可采用函數(shù)分析、圖像分析、計算軟件輔助等多種方法處理數(shù)據(jù)，體驗工程設計的嚴謹性和復雜性。

以“探究汽車轉彎”為例，采取基于問題解決的學習模式，讓學生經(jīng)歷從真實情境提出問題，融合科學、技術、工程知識和數(shù)學運算方法開展模擬實驗的探究，設計出具體的解決方案。學習過程以物理知識為載體，以實驗探究為主要途徑，實現(xiàn)了STEM教育與物理學科教學的有機整合。

STEM教育并非生搬硬套地將四個學科知識簡單疊加，也并非一定要分清四個學科的知識界線，強調(diào)的是跨學科知識的整合，注重的是科學與工程技術的相互促進，目標是培養(yǎng)解決真實世界復雜問題的綜合能力。

責任編輯 錢昭君