方強

(江北高級中學 陜西 安康 725000)

王長江

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

張紅洋

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710000)

STEAM課程以培養(yǎng)多方面綜合型人才為目標，是近年來綜合課程的典型代表．然而，由于社會教育資源分配不均衡、功利性評價制度制約等客觀因素，導致教師STEAM教育理念薄弱及其教學實踐的缺失．目前我國尚無成熟的一貫制STEAM課程體系，STEAM課程的實施需教師自行探索.課程實施首要條件是對STEAM課程載體的發(fā)掘，否則，一節(jié)STEAM課難免會變成理論分析課，若遴選的載體缺乏整合性，教學也難以向綜合性思維推進．因此，如何遴選蘊含STEAM知識的綜合性載體，如何引導學生從淺層學習推向深度學習？如何評價STEAM教學目標是否達成？成為踐行STEAM課程必須思考問題．本文試圖以“偽3D全息投影”為例進行STEAM項目化學習探索．

1 項目化學習目標

該項目化學習適用于初中“光的反射”演示實驗和高中“光的反射”和“光的折射”“折射率”等內(nèi)容的探究實驗．“偽3D全息投影”項目的STEAM知識目標如下.

Science：光的反射、光的折射、折射率、虛像和有機化合物．

Technology：尺規(guī)作圖、材料分析．

Engineering：設計、裁剪、組裝和制作以及游標卡尺的使用．

Art：繪畫、視頻素材的選擇．

Mathematics：三視圖、余弦定理、勾股定理.

能力目標：繪圖能力、立體空間想象力、數(shù)學運算能力、實驗操作能力和溯因推理能力等．

2 項目化學習過程

2.1 問題生成

教師在暗環(huán)境下演示關于地球運動的“偽3D全息投影”實驗(圖1)，激發(fā)對“新奇”現(xiàn)象的探究，組織學生近距離觀察演示實驗，完成觀察記錄表(表1).

圖1 教師演示實驗

表1 觀察記錄表

圖2 演示的投影盒

圖3 演示的四分視頻

通過觀察記錄表和教師提問，引導學生有目的地觀察物理現(xiàn)象并提出問題，進而建立物理過程模型，將教學推進至下一個階段——原理分析．

2.2 原理探究

(1)投影盒化學成分分析

a.單體結構簡式為CH2=CH—COOR(√)；

b.鏈節(jié)為—CH2—CH—(×)

c.聚合度為n(√)；

d.有固定的熔沸點(×)；

e.在一定條件下能發(fā)生加成反應(×)

f.在一定條件下能發(fā)生水解反應(√)；

g.聚丙烯酸酯具有很強的吸水性(×)

化學課標要求：知道有機化合物分子是有空間的，以甲烷、乙烯等為例認識碳原子的成鍵特點，以乙烯、乙醇等為例認識官能團；結合典型實例認識官能團與性質(zhì)的關系，知道加成、聚合等有機反應類型，知道在一定條件下可以轉化[1]．通過聚丙烯酸酯結構分析，它由CH2=CH-COOR經(jīng)加成聚合反應生成，屬于高分子化合物，而高分子化合物均屬于混合物，沒有固定的熔、沸點；由于聚丙烯酸酯結構中沒有碳-碳雙鍵，所以不能發(fā)生加成反應，分子式不含親水基，故無吸水性；由于有脂的結構，因此可發(fā)生水解反應．判斷命題側重對學生能力的培養(yǎng)和方法的考查，準確判斷官能團，依據(jù)相應官能團結構和性質(zhì)，靈活運用，有利于培養(yǎng)學生的知識遷移和邏輯推理能力．

(2)投影盒幾何分析

圖4 投影盒立體圖分析

圖5 Z形支架

已知等腰△ABE邊長AB為b，在求頂角的過程中，培養(yǎng)學生演繹推理能力和空間想象能力，推導演繹如下：

1)在直角△EFO中，因為∠EFO=45°，故OE=

圖6 投影盒側面展開圖

(3)投影盒成像原理分析

投影盒尖端正對屏幕中心，四分屏的視頻經(jīng)投影盒各側面反射出去(圖7)，當觀察者在不同側面觀察時，反射的是不同位置的圖像，觀察者看見的是懸置于投影盒正中的虛像，故產(chǎn)生“3D”的錯覺．

圖7 成像原理示意圖

2.3 成果導向

材料：手機或平板，尺規(guī)，量角器，計算器，小刀，膠帶，透明塑料板，四分屏視頻等．

教師選取材料較薄和較厚的學生作品展示同一素材，分析成像差異，潛在地引入“厚度”要素，為重影分析做鋪墊，圖8～11是某學生制作主要環(huán)節(jié)及效果呈現(xiàn)．

圖8 裁剪的投影盒側面

圖9 粘貼投影盒

圖10 選擇的視頻素材

圖11 學生實驗效果

2.4 次生問題(重影)探究

教師提問：是否觀察到重影現(xiàn)象？引導學生有目的地觀察和實驗，學生感知手機原視頻與成像清晰度的差異，發(fā)現(xiàn)“新”物理現(xiàn)象——重影.將重影作為新的研究起點，引導次生問題的生成，推動學生思維進入新階段．學生假設的影響因素通常有以下幾個：表面粗糙度、板材厚度、板材透明度等．

學生甲用游標卡尺測量不同學生產(chǎn)品厚度，發(fā)現(xiàn)材料越厚，重影現(xiàn)象越明顯，認為一束光經(jīng)過材料上表面時(圖12)，一部分光經(jīng)上表面反射，另一部分光線從空氣進入材料內(nèi)部發(fā)生折射，經(jīng)下表面反射，再次進入空氣發(fā)生折射，于是形成了兩束光線，因此，觀察到“重影”現(xiàn)象．

圖12 重影原理分析

2.5 產(chǎn)品優(yōu)化及衍生問題

鑒于對“3D全息投影”原理和重影影響因素綜合分析，學生認為投影盒應選透明度好、厚度薄的化學材料制作．乙學生提出：平板放在最下面，投影盒尖頂去掉，變成四棱臺，將其倒放在屏幕上，則不需要Z形支架(圖13)．聽了乙學生的觀點，丙學生提出將其扣在屏幕上(圖14)，驗證發(fā)現(xiàn)二者方案均可投影，但投影上下左右恰好相反(圖15和16)．

圖13 乙優(yōu)化方案

圖14 乙優(yōu)化后的效果

圖15 丙建議方案

圖16 丙建議后的效果

經(jīng)學生探討交流，該組學生認為，因視頻圖像是中心對稱圖形(圖10)，倒置投影盒時，正面亞克力板外表面反射光線(圖17)，正置投影盒時，對面亞克力板內(nèi)表面反射光線(圖18)，因此成像上下和左右剛好相反．產(chǎn)品優(yōu)化后的新現(xiàn)象又成為科學思維訓練的起點和載體，前后問題的連續(xù)性和相關性有助于學生對幾何光學精準的理解、應用及知識組塊的形成．

圖17 倒置投影盒的光路圖

圖18 正置投影盒的光路圖

3 STEAM學習質(zhì)量評價

STEAM教學是否達到了預期教學目標，需建立STEAM學習質(zhì)量評價指標作為教學判斷標準，以基于深度學習的中學STEAM學習質(zhì)量評價體系為基礎[2]，以該評價體系為基礎，結合本項目內(nèi)容，將評價指標具體解構，如表2所示.

表2 “偽3D全息投影”學生實驗學習質(zhì)量評價標準

續(xù)表2

4 教學啟示

4.1 以STEAM課程理念為藍本審視物理課程實施過程

STEAM課程理念強調(diào)綜合性知識、探究性過程及真實情景等往往需要花費時間，與家長、學生及領導對“高效”“高分”的功利追求相悖，讓中學物理教學退變成物理習題訓練，導致對STEAM教學理念的輕視和不顧，妨礙了STEAM課程理念的貫徹和落實． 由于師范教育沒有STEAM對應的專業(yè)，即便是科學教育類的綜合性專業(yè)也較少，目前不管從師資培養(yǎng)方案、課程設置、評價制度和教育現(xiàn)狀，都對STEAM課程發(fā)展不利，教師應克服課改的主觀或客觀的阻力，結合STEAM教育理念，審視教學設計、實施過程等各環(huán)節(jié)，積極落實STEAM教育理念和內(nèi)容，轉變當前傳統(tǒng)分科教育模式．

4.2 STEAM理念與課改理念一致是中學生核心素養(yǎng)的實施路徑之一

2015年教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見(征求意見稿)》明確提出，有效利用信息技術推進“眾創(chuàng)空間”，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式[3]．STEAM課程是典型的融合課程，其多元化、跨學科、重實踐等課程內(nèi)容和理念與新課程改革倡導的中學生核心素養(yǎng)的理念一致，它為物理學科核心素養(yǎng)的落實提供一個具體、可行的實施路徑，豐富了以核心素養(yǎng)為導向的教學策略和方法．

4.3 STEAM教育探索有利于科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和本土化方案的生成

STEAM課程是在90年代后美國學生對科學興趣下降、理工科專業(yè)遇冷的背景下，作為美國國家戰(zhàn)略發(fā)展政策而提出，繼美國之后，英國、德國、芬蘭等都從國家人才戰(zhàn)略層面制定了STEM教育發(fā)展政策[4]，在當前沒有系統(tǒng)的STEAM國家課程和專業(yè)STEAM師資的條件下，結合本地特色資源積極開發(fā)學習化項目，推動STEAM課程本土化，主動承擔起為國家培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才的任務，積極探索符合中國國情的STEAM教學模式，為STEAM教育貢獻行之有效的教學方案．