陳榮天

（福建省德化第一中學，福建 泉州 362500）

物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標下，教師以實踐活動為載體，促成學生物理觀念的凝練、科學思維的養(yǎng)成、實驗探究能力的提升和科學態(tài)度與責任的形成，是物理教學改進的思路之一.橋梁模型創(chuàng)意賽是提升學生物理學科核心素養(yǎng)的一種實踐路徑.而STEAM教育是當前國內(nèi)較為活躍的教育方式，它強調(diào)學習者在工程問題解決過程中，對科學、技術、工程、藝術及數(shù)學學科的綜合應用.［1］可以說，STEAM教育與物理學科核心素養(yǎng)在學生培養(yǎng)目標方面是不謀而合的.

當前，物理學科教學中，依然存在理論與實踐結合不夠緊密的困境，如何靈活而有效地將紙上習得的物理知識轉化為實際問題解決的良方一直是物理教學的關鍵.近年來，學校積極開展校本課程、研究性學習、創(chuàng)客等實踐活動，旨在讓學生通過“做中學”，以實踐經(jīng)驗為依托，形成對理論的感性認識，讓理論與實踐反復交融，進而迸發(fā)問題解決方法之靈感，真正提升物理學科素養(yǎng).那么，教師如何在實踐活動中具體落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)成為問題的關鍵.

2021年1月，筆者指導了以解決橋梁承重問題為背景的橋梁模型創(chuàng)意比賽，并全程帶領一支隊伍參賽.本次活動是高中物理學科核心素養(yǎng)培育的一次探索.現(xiàn)以這場“橋梁模型創(chuàng)意賽”為例，探索如何在實踐活動中結合STEAM教育理念培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng).

1 凝煉工程問題 整合物理觀念

1.1 凝煉工程問題

本次比賽以一則國際新聞為背景：2020年4月意大利托斯卡納區(qū)的一座公路橋發(fā)生嚴重垮塌，垮塌時橋面有兩輛貨車在行駛，所幸僅有2名人員受傷無生命危險.此次比賽以該新聞為背景，向?qū)W生強調(diào)在實際生產(chǎn)生活中橋梁的建造需要綜合考量荷重能力和安全因素.由此如何設計和建造一座荷重能力強且安全性能高的橋梁成為本次比賽的主題.

1.2 整合物理觀念

本次比賽的參賽對象為高二年級學生，要求以班級為單位報送參賽作品，規(guī)定橋梁模型的制作材料為：統(tǒng)一提供的A2硬卡紙2張、冰棒木棍20根、膠水若干（不限種類），模型制作時間約為1個月，比賽當天要求學生提交橋梁模型、橋梁設計書（包含設計構思、模型設計圖、制作工藝、創(chuàng)新與改進），并推選1名代表進行現(xiàn)場匯報和答辯，最后由5名教師組成的評委團當場測量橋梁荷重比與撓挎比，按照評分細則對各項考核標準進行打分，取平均分作為參賽隊伍最終成績.

橋梁的承載量決定了橋梁的交通運載能力，承載量又與荷重比有關，橋梁的安全性能更是橋梁設計的關鍵點，而橋梁的安全性與橋梁撓度、撓挎比等緊密聯(lián)系，這些多數(shù)為工程力學中的概念，對學生來說是全新的、未知的.因此，指導教師如何引導學生靈活運用所學知識與技能進行建模分析，尤為關鍵.例如，為了提升橋梁的荷重比與撓挎比，可以構建靜力學的力矩平衡模型進行分析；為了提升橋梁的交通運載能力，需要學生調(diào)用物理學科中的運動觀念、相互作用觀念以及能量觀念等.通過本次活動，學生的物理觀念得到極大提升.

活動以班級為單位，學生團結協(xié)作.在模型建構、科學推理、科學論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新等過程中，將先前的理論知識進行應用與實踐.表1是對參賽設計書的整理，為了盡可能再現(xiàn)比賽原況，表中的陳述均直接摘錄學生遞交的橋梁模型設計書原文（表中作品順序即為成績排序）.

表1所展現(xiàn)的是學生關于橋梁設計的思考.從中我們不難發(fā)現(xiàn)，學生對橋梁的荷重比、撓挎比等關鍵因素有著較為全面、深入的理解.橋梁設計思路充分體現(xiàn)了學生的物質(zhì)觀、相互作用觀等物理觀念.這些初步的物理觀念正是他們運用理論知識解決橋梁模型設計這一實際工程問題的前提，在模型設計和制作過程中為其提供具體的科學探究途徑，為問題解決保駕護航.經(jīng)歷這樣的實踐探索過程，學生對所學的理論知識有了感性的認識，對工程問題關鍵點的把握有了生動的體驗，這些經(jīng)驗有助于物理觀念的凝練.

2 把握科學思維 挖掘技術重難

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式；是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質(zhì)疑、批判、檢驗、修正，進而提高創(chuàng)造性見解的能力與品格，包含模型建構、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.［2］從所收集的橋梁設計書中，我們看到，一方面，多數(shù)參賽小組在橋梁設計前進行了資料收集，基本了解現(xiàn)有的幾種橋梁結構類型，并對各種橋梁結構類型進行深入分析、歸納其優(yōu)劣勢.在所提交的8組作品里，有5組作品采用了混合型構造，這充分說明學生在設計構思這一環(huán)節(jié)，能從工程和物理的視角對橋梁的分類與本質(zhì)進行認識，然后通過綜合分析設計出一種符合比賽規(guī)則所要求的高荷重比、低撓度比的橋梁模型.另一方面，學生在具體模型細節(jié)的構思中，還融入了不少衍生學、化學、結構力學等，來克服技術層面的難點.例如：第1組發(fā)現(xiàn)單純硬卡紙的強度有限，但是利用α-氰基丙烯酸乙酯進行表面處理時，其剛性強度將大幅度增強，原因是α-氰基丙烯酸乙酯滲透到硬卡紙中發(fā)生加聚反應，生成更堅硬的聚合物，從而使得硬卡紙形成“甲殼”；第2組為了增加橋梁承重性，橋面材料使用波浪瓦楞紙，由于瓦楞紙面特殊的折疊方式可以將其上表面受到的壓力通過夾角約為60°的三角形受力面?zhèn)鬟f至下方，從而進一步增加承重力；第7組受蜂巢的建造啟發(fā)，橋臺由108個正六棱柱構成，使得橋體結構更加緊實等.以上關于技術方面的應用案例只是參賽學生集思廣益的一小部分，卻將學生在解決問題過程中所擁有的開放而富有創(chuàng)造力的科學思維體現(xiàn)得淋漓盡致.

3 研磨設計方案 落實科學探究

科學探究是指基于觀察和實驗，提出物理問題、形成猜想和假設、設計方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結論并作出解釋，以及對科學探究進行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.［2］從學生的設計書中我們看到，參賽學生們關于橋梁模型的設計構思環(huán)節(jié)，不僅在前期的資料收集環(huán)節(jié)有著十分深廣的研究，而且對于新式橋梁模型的設計更是有著極為大膽的創(chuàng)新嘗試，然而并不是所有的靈感和理想都能順利地落于實際.據(jù)各參賽小組的指導教師反映，學生們在把紙面的理論知識應用到實踐環(huán)節(jié)時，常常會因為客觀條件缺乏或主觀能力有限等原因，而無法達到預期效果.因此，在現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)中，評委教師有意向?qū)W生提出這樣一個問題：“在模型的實際制作過程中，有沒有哪些最初設想是你們沒有達成或很難達成的呢？若有，請談談主要原因”.這個問題的背后實則蘊含著對學生是否具備科學探究能力的檢驗.從現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)中來看，我們發(fā)現(xiàn)幾乎每組參賽學生都在模型的制作過程中遇到與構思存在偏差的難題，卻僅有2組參賽學生堅持反復試驗，最終解決了困難.例如：第1組參賽學生利用懸索塔內(nèi)部的5個定滑輪來改變懸索塔受到的拉力方向，而如何根據(jù)具體的模型結構對這5個定滑輪進行空間排布，達成既保證繩索受力未超出其彈性限度，又使最終的合力方向豎直向下的效果，卻需要制作者通過多次的嘗試組合反復調(diào)整才能完成.從模型實物以及答辯學生的闡述中獲悉，該組學生經(jīng)歷了近20種方案的嘗試，才最終確定滑輪的組合方式，達成預期效果.然而，8個隊伍中還有另外6個參賽小組未能順利解決他們在制作過程中所遇到的問題.通過賽后的訪談調(diào)查得知，大部分學生先前的科學探究經(jīng)驗較少，因此在遇到技術難題時，無從入手，他們對于證據(jù)的提煉、模型的建立、物理現(xiàn)象的解釋等具體要素的把握還有所欠缺，這一方面是指導教師在今后的教學與指導實踐的主要方向.

4 形成科學態(tài)度 樹立社會責任

科學態(tài)度與責任是指在認識科學本質(zhì)，認識“科學·技術·社會·環(huán)境”上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒以及遵守道德規(guī)范，保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感，主要包括科學本質(zhì)、科學態(tài)度、社會責任等要素.［2］本次橋梁模型創(chuàng)意比賽，指導教師在多個環(huán)節(jié)中注重指導學生認識科學本質(zhì)，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度，樹立學生的社會責任感.首先，在文獻整理環(huán)節(jié)，指導教師要求學生調(diào)研整理國內(nèi)外橋梁結構類型，并著重分析不同橋梁結構的力學原理以及它們所適用的生產(chǎn)情境和自然環(huán)境背景等，這點在各參賽小組的計劃書中有直觀體現(xiàn)，如：有的小組利用圖片和表格進行歸納，還有的小組利用思維導圖的形式進行梳理.這一換節(jié)中，學生們體會到了橋梁對于道路運輸?shù)那擅钭饔茫惺艿搅藰蛄航ㄖv史的發(fā)展進程，更體驗了認識科學本質(zhì)的具體過程.其次，在模型制作環(huán)節(jié)，為獲得高荷重比、低撓挎比的橋梁模型，學生們在指導教師的引導下，對于橋梁零件的細節(jié)調(diào)整力求完美，通過無數(shù)次嘗試和實驗最終使模型達成最理想狀態(tài).例如：第5組參賽學生為了獲得更高的荷重比，幾十次調(diào)節(jié)橋梁頂端與橋跨鏈接的繩索角度、長度以及橋底支架的高度、間距，反復進行實驗驗證，最終才確立了模型細節(jié).最后，從現(xiàn)場匯報環(huán)節(jié)中，我們可喜地看到了學生們強烈的社會責任感，如第3組參賽作品名為“榕龍橋”，其設計初衷是為了致力于家鄉(xiāng)的交通運輸，在橋面中間設立的護欄內(nèi)填充了特制的填充物，這樣既可以在夜晚的行車過程中隔絕對向車道車輛的遠光燈，還可以在發(fā)生事故時提供緩沖，這個作品不僅體現(xiàn)學生的社會奉獻精神，還體現(xiàn)了學生對安全問題的細致考慮；第7組作品為一體兩橋，預計建于漁村，上橋面名為“漁鄉(xiāng)”，下橋面取名為“比弗洛斯特”，意為通往天國，彩色六棱柱體可以是巨大風口或磁體，將下橋面的車輛托起通行，該橋梁并沒有對現(xiàn)實中橋梁形式進行模仿，而是對未來橋梁的想象和思考.教師通過比賽的各個環(huán)節(jié)，注重培養(yǎng)學生充分認識科學本質(zhì)、利用技術積極解決問題、形成社會責任感以及改變世界的使命感，從而學有所用、學以致用，真正彰顯物理學科的育人價值.

5 結束語

高中物理教學中，學生往往缺乏對物理知識的感性體驗.因此，學校教育若能在完成課標任務之余多多開展相關實踐活動，教師在此中擔任好引導者的角色，為學生的科學探索保駕護航，幫助學生克服困難，達成目標，那么學生才有機會將紙上得來的知識通過一系列復雜和反復的實踐活動將其驗證和升華，［3］從而促成物理核心素養(yǎng)的提升.

STEAM教育的核心是鍛煉學生的動手能力，讓學生通過親身體驗，深刻領會科學與真理.本次的“橋梁模型創(chuàng)意賽”，以時事新聞作比賽背景為問題的提出創(chuàng)設了情景，前期凝煉工程問題，明確荷重比、撓挎比是作為衡量橋梁工程的重要指標，建立物理模型，強化物理觀念，學生獲得了扎實的理論知識，它們是模型創(chuàng)作整個過程的生長點.通過親身體驗橋梁模型的設計、制作、改進等過程，既得到了對橋梁設計的感性體驗，也獲得了自身綜合素養(yǎng)的實質(zhì)提升.現(xiàn)場展示和答辯環(huán)節(jié)，不但鍛煉了學生的臨場表達能力，評委教師對橋梁模型提出的批判與質(zhì)疑，更是進一步引發(fā)學生的反思與改進.

物理學科核心素養(yǎng)與STAEM教育的關鍵在于提高學生的綜合能力.一方面，本次橋梁模型創(chuàng)意比賽，不僅對學生的科學探究與科學思維素養(yǎng)有著較明確的培養(yǎng)環(huán)節(jié)設置，而且在現(xiàn)場展示和答辯環(huán)節(jié)中，學生利用科學知識解決工程問題的能力和勇于質(zhì)疑的精神也有良好體現(xiàn).另一方面，我們也看到了當前學生的科學探究能力較為薄弱，多數(shù)學生具備發(fā)現(xiàn)問題的能力，但卻只有少數(shù)學生能解決部分實際問題.因此，對于物理教師而言，應當繼續(xù)做好引導者和輔助者的角色，鼓勵學生大膽提出猜想，勇于創(chuàng)新，借助所學知識解決具體問題，不怕失敗，勇敢嘗試，大膽而靈活地將知識運用到實際生產(chǎn)生活中去，［4］從而實現(xiàn)STEAM教育的真正意義，進而提升物理學科核心素養(yǎng)，成為21世紀具有競爭力的人才.