張濱 阮偉文

摘? ?要：新高考從3+3模式過(guò)渡到3+2+1模式，更加注重發(fā)展學(xué)生的終身能力，培養(yǎng)學(xué)生解決新問(wèn)題的能力。STEAM教育理念強(qiáng)調(diào)的是能夠滲透各學(xué)科的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識(shí)的能力。因此，探索STEAM教育理念在高中物理教學(xué)中的實(shí)踐研究，非常符合新高考的理念，有助于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： STEAM教育理念;高中物理;實(shí)踐研究

傳統(tǒng)的物理教學(xué)，教師上課經(jīng)常是填鴨式教學(xué)，課堂很多都是讓學(xué)生不斷地做習(xí)題，很少啟發(fā)學(xué)生。為了應(yīng)付高考，注重刷題，這樣長(zhǎng)久的訓(xùn)練下去，學(xué)生只會(huì)成為刷題的機(jī)器，而不能自主探究學(xué)習(xí)。新高考命題更加的靈活、創(chuàng)新，對(duì)學(xué)生的跨學(xué)科能力要求更高。現(xiàn)在的物理高考題很重視題目的情境性，很多學(xué)生看不懂題目，綜合素質(zhì)不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生在與生活實(shí)際相聯(lián)系的題目中得分不高，而STEAM教育理念能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合知識(shí)能力，培養(yǎng)學(xué)生在具體課程活動(dòng)中學(xué)會(huì)探究、合作、動(dòng)手的能力，因此STEAM教育理念在平常物理教學(xué)中的實(shí)踐將有助于學(xué)生各方面的能力的培養(yǎng).

1? 高中物理教學(xué)中STEAM課程開(kāi)展的價(jià)值

1.1? STEAM課程可以提高學(xué)生的通識(shí)力

STEAM教育就是集合了科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的多領(lǐng)域相互融合的綜合教育。STEAM教育發(fā)源于美國(guó)，它是在已有的STEM教育的基礎(chǔ)上融入了“A”元素，即藝術(shù)元素后發(fā)展完善而來(lái)的。此后，它迅速躍升為國(guó)際教育屆的熱點(diǎn)[ 1 ]。STEAM課程沒(méi)有否定任何一門(mén)學(xué)科，也沒(méi)有特別強(qiáng)調(diào)哪一學(xué)科，而是希望每一個(gè)學(xué)科都能夠融會(huì)貫通，形成互相滲透、互相補(bǔ)充的關(guān)系。比如，學(xué)生在學(xué)物理的過(guò)程當(dāng)中，可以滲透語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、技術(shù)各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，讓學(xué)生在研究物理問(wèn)題的時(shí)候，也能與別的學(xué)科的知識(shí)互相聯(lián)系與綜合，從而提高自己的眼界和知識(shí)面，提高將多方面知識(shí)融匯應(yīng)用的能力。

1.2? STEAM課程可以提高學(xué)生的創(chuàng)造力

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)造性思維的能力是STEAM教育弘揚(yáng)的重要理念。STEAM課程的實(shí)施，需要有很強(qiáng)的數(shù)理化知識(shí)和勞動(dòng)技能。在對(duì)高中物理教材中“傳感器”進(jìn)行探究的時(shí)候，可以引入機(jī)器人，拓展學(xué)生的知識(shí)眼界。 STEAM教學(xué)提倡以提出問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)的開(kāi)展，在利用傳感器元件進(jìn)行報(bào)警電路的探究時(shí)，可以鼓勵(lì)學(xué)生來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，提出實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，也可以和團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)所學(xué)的知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案提出不同的看法，進(jìn)行補(bǔ)充，然后提出更好的方案。確認(rèn)方案后，學(xué)生可以動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得到傳感器的應(yīng)用和特點(diǎn)。在提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和學(xué)生的創(chuàng)造力。

1.3? STEAM課程可以提高學(xué)生的社交力

STEAM項(xiàng)目在解決問(wèn)題時(shí)一般需要團(tuán)隊(duì)完成。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成品的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員可以互相表達(dá)自己不同的見(jiàn)解與看法。對(duì)一個(gè)項(xiàng)目學(xué)生會(huì)查閱資料，提出與這個(gè)項(xiàng)目有關(guān)的知識(shí)，并且對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行整合。在與團(tuán)隊(duì)成員溝通的過(guò)程中可以鍛煉自己的口才，協(xié)調(diào)組織的能力。動(dòng)手創(chuàng)作的過(guò)程中需要團(tuán)隊(duì)成員互相配合，在團(tuán)隊(duì)合作的過(guò)程中，還需表達(dá)自己的想法。因此，STEAM課程有助于提高學(xué)生的社交力，與人合作的能力。

2? STEAM課程在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

高中物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手探究、收集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理的能力。在物理高考實(shí)驗(yàn)題中，實(shí)驗(yàn)題的得分率并不高，主要原因是學(xué)生在做高一高二分組實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理缺乏深刻理解，對(duì)實(shí)際操作和誤差分析也不是很重視。而 STEM 教育理念的課堂以學(xué)生為中心，讓學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)情境問(wèn)題?？梢?jiàn)，STEM 教育理念在高中物理學(xué)科教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用[ 2 ]。如何在高考復(fù)習(xí)中實(shí)施有效的高考實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)策略，既能夠提高實(shí)驗(yàn)技能，又能領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新思維，是高三教師面臨的重要挑戰(zhàn)。

高中物理實(shí)驗(yàn)在高考中屬于必考的內(nèi)容，縱觀幾年下來(lái)的高考實(shí)驗(yàn)題，基本上一個(gè)和教材原型實(shí)驗(yàn)類似，另外一個(gè)是教材的創(chuàng)新拓展性實(shí)驗(yàn)。在普通高等學(xué)校招生理科全國(guó)統(tǒng)一考試大綱中，關(guān)于物理學(xué)科要考查的“實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α笔沁@樣敘述的：能獨(dú)立完成“考試內(nèi)容與要求”中所列的實(shí)驗(yàn)，能明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，能理解?shí)驗(yàn)原理和方法，能控制實(shí)驗(yàn)條件，會(huì)使用儀器，會(huì)觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論。能對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[ 3 ]。能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，并制定解決問(wèn)題的方案;能應(yīng)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題。因此，在高三物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)當(dāng)中，應(yīng)該要重視教材原型實(shí)驗(yàn)，知道實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解?shí)驗(yàn)原理，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)步驟，懂得分析數(shù)據(jù)，弄清誤差來(lái)源。在這基礎(chǔ)上，再對(duì)拓型展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，這樣就能更有效地進(jìn)行高考實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)。

2.1? 重視實(shí)驗(yàn)原理的考查

實(shí)驗(yàn)原理是整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的靈魂?；旧厦恳坏缹?shí)驗(yàn)題，都重視對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的考察。教師在講課的過(guò)程中除了對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟、目的、器材的交代，還要特別重視對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的推導(dǎo)。在新情境拓展型實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，雖然題型比較新，但是有的時(shí)候?qū)嶒?yàn)原理沒(méi)有變，因此了解實(shí)驗(yàn)原理是至關(guān)重要的。

例：如圖1所示，放在長(zhǎng)短槽內(nèi)的三個(gè)小球的質(zhì)量相等，皮帶所在左右塔輪的半徑也相等，則在加速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，左右標(biāo)尺漏出的紅白等分標(biāo)記會(huì)________（填“變長(zhǎng)”“不變”“變短”或者“無(wú)法確定”），兩邊紅白等分標(biāo)記之比會(huì)________（填“變大”“不變”“變小”或者“無(wú)法確定”），在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，左右標(biāo)尺紅白等分標(biāo)記之比為_(kāi)_______。

這道題考查的是向心力演示儀的實(shí)驗(yàn)原理：（1）同一皮帶輪的線速度大小相等;（2）同一塔輪的角速度相等;（3）當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)放在槽上的球，小球會(huì)給擋板一個(gè)力，擋板會(huì)帶動(dòng)橫臂，橫臂再向下帶動(dòng)套筒，這樣就露出紅白相間的標(biāo)尺，標(biāo)尺的多少間接體現(xiàn)了向心力的大小。這道題如果知道了是向心力演示儀實(shí)驗(yàn)裝置的原理，就很容易得到結(jié)論。

2.2? 考查操作步驟和誤差分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)操作也是實(shí)驗(yàn)很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)的誤差大小。

例：某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖2所示的裝置“探究動(dòng)能定理”，小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50 Hz。實(shí)驗(yàn)中木板略微傾斜，這樣做______;

A.是為了使釋放小車(chē)后，小車(chē)能勻加速下滑

B.是為了增大小車(chē)下滑的加速度

C.可使得橡皮筋做的功等于合力對(duì)小車(chē)做的功

D.可使得橡皮筋松弛后小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)

以上這兩小題考查的是用橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功來(lái)“探究動(dòng)能定理”的操作步驟，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的巧妙之處是讓橡皮筋的功有倍數(shù)關(guān)系，因此直接改變橡皮筋的條數(shù)的方法來(lái)求功，不需計(jì)算出具體數(shù)值，這樣需要將每條橡皮筋拉到同一位置。這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力，讓橡皮筋做的功就是合力做的功。因此在平常課堂中的分組實(shí)驗(yàn)，教師要記得交代需要平衡摩擦力這個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，木板要傾斜，學(xué)生一定要親自動(dòng)手操作。

2.3、考查實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

物理實(shí)驗(yàn)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析能夠訓(xùn)練一個(gè)人的邏輯思維能力，以及對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)原理的深刻理解，近幾年高考也時(shí)?？嫉綌?shù)據(jù)分析。

例：某同學(xué)用如圖3所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。一根細(xì)線系住鋼球，在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。用光電門(mén)測(cè)時(shí)間，就能求出小球過(guò)最低點(diǎn)速度。如果記錄鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小ΔEp與動(dòng)能變化大小ΔEk，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。如表1為該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

傳統(tǒng)的驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)都是因?yàn)樽枇Φ淖鞴Γ鴮?dǎo)致動(dòng)能變化大小ΔEk小于勢(shì)能變化大小ΔEp，這組數(shù)據(jù)突破以前的認(rèn)知，數(shù)據(jù)是ΔEk大于ΔEp。這題考查的是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力，原來(lái)測(cè)小球的速度主要是小球過(guò)光電門(mén)（圖4），用小球的直徑除以擋光時(shí)間。本題實(shí)驗(yàn)主要是因?yàn)樾∏蛳旅娑嗟牧藗€(gè)遮光條（圖3），遮光條的速度才是測(cè)量值，它比小球的速度要大，因?yàn)樗鼈兊綉尹c(diǎn)的距離（半徑）不一樣，因此動(dòng)能就比實(shí)際值大了。但是勢(shì)能還是算小球的勢(shì)能變化，因此遮光條動(dòng)能的增加大于小球勢(shì)能的減少，這是由實(shí)驗(yàn)裝置引起的系統(tǒng)誤差，從這道實(shí)驗(yàn)題可以看出分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要性，雖說(shuō)考的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是考查的是對(duì)物理知識(shí)比如圓周運(yùn)動(dòng)、機(jī)械能守恒的理解，數(shù)據(jù)背后其實(shí)隱藏著一種科學(xué)的思維方法，考查的是一種邏輯分析能力。

2.4? 注重教材原型實(shí)驗(yàn)，提高拓展型實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思維能力

高考實(shí)驗(yàn)的題型一種是由教材原型實(shí)驗(yàn)，另一種是拓展型實(shí)驗(yàn)。很多拓展型實(shí)驗(yàn)都是由教材的原型實(shí)驗(yàn)改編。平拋運(yùn)動(dòng)的教材原型：如圖5所示裝置研究平拋運(yùn)動(dòng)的教材原型實(shí)驗(yàn)，鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點(diǎn)飛出，落在水平擋板MN上，鋼球落在擋板上時(shí)，鋼球側(cè)面會(huì)在白紙上擠壓出一個(gè)痕跡點(diǎn)，上下移動(dòng)擋板，重新釋放鋼球，如此重復(fù)，白紙上將留下一系列痕跡點(diǎn)。

如圖6所示，在軌跡上取A、B、C三點(diǎn)，AB和BC的水平間距相等且均為x，測(cè)得AB和BC的豎直間距分別是y1和y2?？汕蟮娩撉蚱綊伒某跛俣却笮開(kāi)_______（已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，結(jié)果用上述字母表示）。

平拋運(yùn)動(dòng)拓展型實(shí)驗(yàn)：如圖7所示，將該木板豎直立于水平地面上（木板表面垂直于紙面），使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞到木板并在白紙上留下痕跡A;將木板向遠(yuǎn)離槽口平移距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞在木板上得到痕跡B;又將木板再向遠(yuǎn)離槽口平移距離x，小球再?gòu)男辈凵暇o靠擋板處由靜止釋放，再得到痕跡C。若測(cè)得木板每次移動(dòng)距離x=10.00 cm，A、B間距離y1=7.02 cm，B、C間距離y2=16.82 cm.可求得鋼球平拋的初速度大小為_(kāi)_______。

我們把教材原型實(shí)驗(yàn)和拓展型實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，拓展型實(shí)驗(yàn)只是把水平槽左右移動(dòng)改成上下移動(dòng)，最后求的初速度用到的原理都一樣，都是依據(jù)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性：水平勻速運(yùn)動(dòng)，豎直自由落體運(yùn)動(dòng)，可以得到平拋運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)公式，y2-y1=gT2，x=v0T，繼而算出v0.

高考實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ饕w現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是對(duì)“考試內(nèi)容與要求”中所列出的實(shí)驗(yàn)，必須獨(dú)立地、認(rèn)真地、帶有研究性的做過(guò)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)動(dòng)腦和動(dòng)手能力。二是能靈活運(yùn)用所學(xué)過(guò)的理論、實(shí)驗(yàn)方法、儀器去處理分析，研究某些未做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，包括設(shè)計(jì)某些比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，這體現(xiàn)了一定的知識(shí)遷移能力[ 3 ]。

高考物理的特點(diǎn)是“源于教材但不拘泥于教材”，既考查學(xué)生完成現(xiàn)有教材中實(shí)驗(yàn)的基本能力，又考查解決教材之外的拓展性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的能力。如何通過(guò)高三復(fù)習(xí)有效提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維與實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，采用怎樣的策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，是歷屆高三教師不斷研究的課題[ 4 ]。

3? STEAM課程在高中物理教學(xué)中的案例

物理概念的建立需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前，基于生活經(jīng)驗(yàn)形成了大量的經(jīng)驗(yàn)性常識(shí)，要在此基礎(chǔ)上建構(gòu)物理概念，必須對(duì)所觀察的現(xiàn)象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質(zhì)特征，完成從經(jīng)驗(yàn)性常識(shí)向物理概念的轉(zhuǎn)變。在這個(gè)過(guò)程中，教師應(yīng)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展[ 5 ]。

在上高中物理必修1“力的分解”這節(jié)課的時(shí)候，可以給同學(xué)們介紹斜拉索橋的知識(shí)。比如第一座斜拉索橋于1955年在瑞典建成。世界最大的斜拉索橋是中國(guó)的蘇通大橋。斜拉索是中國(guó)目前最流行的橋梁之一，全國(guó)正在建設(shè)的斜拉索橋有三十余座。也可以根據(jù)地域特點(diǎn)，給福州的學(xué)生介紹在福州的一座斜拉索橋——三縣洲大橋。如圖8所示：斜拉索橋除了拉索，它還有塔柱和主梁。

教師可以向?qū)W生提出斜拉索橋的原理是什么？學(xué)生針對(duì)拋出的問(wèn)題進(jìn)行思考， 斜拉索橋承受的重量并不是他上面的車(chē)輛，而是橋本身的自重，也就是腳下的主梁。教師分析其中一個(gè)索塔， 斜拉索分布在索塔兩側(cè)，索塔和橋梁通過(guò)斜拉索連在了一起。把索塔所受到的兩個(gè)拉力進(jìn)行分解，分別分解水平方向和豎直方向。如圖9所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)水平向左和水平向右的兩個(gè)分力互相抵消，剩下兩個(gè)豎直向下的分力，這兩個(gè)向下的分力，一起疊加在索塔下面的橋墩上。而這兩個(gè)斜拉索的另一端受到了主梁對(duì)他的拉力作用，那這樣主梁的重力最后就通過(guò)拉索施加在橋墩上了。通過(guò)對(duì)身邊的斜拉索橋的原理進(jìn)行分析，學(xué)生更有興趣去了解這座大橋的原理，這就是STEAM課程的精神體現(xiàn)。從身邊的事物出發(fā)，然后提出問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生的思維能力得到發(fā)展。同時(shí)，學(xué)生也對(duì)橋的歷史多了一點(diǎn)了解，增加了自己的人文知識(shí)。

接下來(lái)可以給學(xué)生提供一些斜拉索橋的材料，如圖10所示，讓學(xué)生在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)、拼裝，并且加入自己的創(chuàng)意對(duì)外表進(jìn)行藝術(shù)加工，同時(shí)也可以評(píng)比出好的斜拉索橋。在斜拉索橋制作的過(guò)程當(dāng)中，體現(xiàn)了STEAM的教育理念。

“S”： 斜拉索橋的原理

“T”： 斜拉索橋器材的連接技術(shù)

“E”： 材料的拼接本領(lǐng)

“M”： 斜拉索橋的拉索和塔橋需要用尺子測(cè)量

“A”： 斜拉索橋的加工與藝術(shù)設(shè)計(jì)，比如說(shuō)對(duì)它上顏色

在自己動(dòng)手制作斜拉索橋的過(guò)程中，學(xué)生的動(dòng)手能力和探究能力得到了培養(yǎng)。通過(guò)測(cè)量斜拉索橋的尺寸以及對(duì)斜拉索橋的藝術(shù)加工，能夠讓自己的綜合素質(zhì)得到提高，各門(mén)學(xué)科的知識(shí)在這里得到了互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)。同時(shí)學(xué)生互相合作，不斷的嘗試，敢于探究，用科學(xué)的思維去挑戰(zhàn)所學(xué)的知識(shí)，在不斷的嘗試中能夠鍛煉自己的耐心與意志力。

STEAM重視科學(xué)技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)各學(xué)科互相綜合與滲透。在平常高中物理教學(xué)中可以不斷滲透STEAM課程理念，相信學(xué)生的創(chuàng)造性思維能得到發(fā)展，讓學(xué)生在動(dòng)手中思考問(wèn)題，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

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