陳海深，謝雪云，何卓文，吳思清，史鏡毓，楊 倩

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

STEAM是科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）和數(shù)學(xué)（M）五個英文單詞的首字母的縮寫，它包含運用這幾門學(xué)科的相關(guān)能力、把學(xué)習(xí)到的片段化的知識轉(zhuǎn)變成探究真實世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的綜合能力.STEAM教育是一場國家終身學(xué)習(xí)活動；是跨學(xué)科、跨學(xué)段的連貫課程群；STEAM教育是面向所有學(xué)生的培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體；是全社會共同參與的教育創(chuàng)新實踐?！盵1]2017年《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式（STEAM教育）.教具是教師和學(xué)生為了改進教學(xué)方法,就地取材,創(chuàng)造性地構(gòu)思而創(chuàng)作出來的實驗,并且已經(jīng)成為物理實驗教學(xué)的一部分,在培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力和創(chuàng)新能力等方面具有很好的促進作用。[2]《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 年版）》也指出，“物理課程注重實驗，物理教師注重讓學(xué)生經(jīng)歷教具探究過程，提高學(xué)生解決問題的能力”。[3]STEAM項目式學(xué)習(xí)視域下物理教具開發(fā)就是要關(guān)注學(xué)生的實踐體驗和探究過程，強調(diào)解決真實問題，倡導(dǎo)“做”中“學(xué)”，聚焦創(chuàng)新與創(chuàng)造力培養(yǎng)，注重知識的跨學(xué)科遷移及其與學(xué)習(xí)者之間的關(guān)聯(lián)。[4]例如，我國臺灣學(xué)者賴恩瑩等利用樂高作為模組教具培養(yǎng)學(xué)生有關(guān)齒輪、力矩等工程概念.學(xué)生通過搭建樂高組件測試相關(guān)原理，不僅可以了解物理概念與知識，還在工程設(shè)計體驗中感受到這些知識的重要作用，將抽象的知識與實際生活連接起來，能夠很好地體現(xiàn)STEAM教育的體驗性特征。[5]

物理教具中融合STEAM項目式學(xué)習(xí)理念還可以有效促進物理課程資源的開發(fā).學(xué)生通過操作熱彎器、臺鉆、3D打印等工具和綜合運用編程軟件、建模軟件、電路設(shè)計等現(xiàn)代技術(shù)，可以大大激發(fā)他們進行實驗教具創(chuàng)制的興趣,有效地滿足有創(chuàng)新想法并且愛好動手的學(xué)生的需求，引導(dǎo)學(xué)生從物理課程資源消費者轉(zhuǎn)變?yōu)檎n程資源的創(chuàng)造者。[6]如下以虹吸實驗的原理探究及教學(xué)反思，并結(jié)合STEAM教育開展“系列版本”虹吸教具的創(chuàng)新與實踐。

2 虹吸現(xiàn)象的古今應(yīng)用及基本原理

我國古代很早就知道利用空氣進行虹吸管吸水.清人所編的《古今圖書集成·歷法典》卷九九《漏刻部》中載有呂才漏刻圖,這也是迄今出現(xiàn)最早的虹吸圖畫。[7]宋代蘇軾（1037～1101）在《東坡志林》卷四的《筒井用水翰法》中描述到卿筒：“自慶歷、皇佑以來，蜀始創(chuàng)‘筒井’，用圓刃鑿如碗大，深者數(shù)十丈，以巨竹去節(jié)，牡牡相銜為井，以隔橫入淡水，則咸泉自上.又以竹之差小者出入井中為桶，無底而竅其上，懸熟皮數(shù)寸，出入水中，氣自呼吸而啟閉之，一筒致水?dāng)?shù)斗?！盵8]古代灌溉和取水所用的渴烏和現(xiàn)如今使用的抽水馬桶，這些都是虹吸實驗原理在日常生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。

虹吸(siphon)是一種流體力學(xué)現(xiàn)象，無須借助抽水泵就能實現(xiàn)液體的抽吸而流動.借助一根倒U形管，當(dāng)處于較高位置的液體充滿U形管的一端（稱為虹吸管）后，倒U形管兩端的液體產(chǎn)生壓強差，在壓強差的作用下推動一側(cè)的液體流過倒U形管的最高點，并向倒U形管另一側(cè)更低端口流動。

要能夠產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，彎管水流的出水端必須比進水端低.設(shè)進水端的水平面為A，出水端的水平面為B，向上作用在兩個水平面上的大氣壓值都是P0，但右管內(nèi)在A面以下還有一段長h的水柱，所以，在右管中與A同一面上的壓強為P=P0+ρhg（P0為大氣壓強，h為水面A處進水端到B處出水端的高度差，引起管中水柱向右管流動，P為水面A處的壓強），最終由B端流出（如上圖1）。由此可知虹吸現(xiàn)象是由于連通器兩端液面的高度差產(chǎn)生的壓強差，從而導(dǎo)致液體流動，其實質(zhì)是因為液體壓強和大氣壓強共同作用而產(chǎn)生液體流動的效果。

圖1 虹吸現(xiàn)象

3 虹吸教具的教學(xué)反思

華東師范大學(xué)版《初中科學(xué)》八年級上冊第二章的第三節(jié)《大氣壓強》中設(shè)有虹吸現(xiàn)象專題，并以自制九龍杯為例進行虹吸現(xiàn)象的實驗演示與原理介紹.雖然九龍杯制作簡易、成本低廉，但學(xué)生對虹吸現(xiàn)象的理解更多的停留在激發(fā)興趣階段和魔法表演層面，無法進一步對虹吸實驗現(xiàn)象的發(fā)生條件和演示效果進行充分的探究.對于初中生而言，如何通過教具的操作體驗和實踐探究，并在抽象思維層面理解虹吸現(xiàn)象的產(chǎn)生條件，最終建立相應(yīng)的“壓強差”模型仍是一個較大挑戰(zhàn)。

為幫助學(xué)生更好地理解“虹吸現(xiàn)象”的基本原理，進一步深入探究“虹吸現(xiàn)象”產(chǎn)生的條件和改進實驗的演示效果，引發(fā)更多的探究問題和創(chuàng)意設(shè)計，并將老師“介紹”與“演示”的被動學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變成學(xué)生主動的“思考”與“探究”，在“實驗的可視化、操作的自動化、裝置的美觀化”等方面進行如下“系列版本”的改進。

4 1.0版本“虹吸”教具

如下圖2 所示為最簡易的“虹吸”教具，它具有廢舊利用、制作簡單、現(xiàn)象明顯、可重復(fù)演示等特點。而圖3 所示為1.0 版多層多級“虹吸實驗”演示教具，是圖1 的“升級版”，它能夠使“虹吸實驗”演示時間更持久、效果更明顯。其裝置均由廢舊的礦泉水瓶和吸管等制作而成。

圖2 最簡易的“虹吸”教具

圖3 1.0 版多層多級“虹吸實驗”演示教具

5 2.0版本“虹吸”教具

如下圖4 所示，該教具主要由幾塊有機玻璃板拼接而成的密閉透明硬質(zhì)水箱兩個（T1、T2）、兩根較好彈性和高強度的透明PU 管、水箱支架、自吸水泵及配件組成，其中T1、T2 在頂部均開一小孔。該教具可以直觀的演示虹吸現(xiàn)象的原理，探究虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和虹吸現(xiàn)象發(fā)生的臨界條件及其相關(guān)影響因素.下面結(jié)合具體操作方法進行分析說明。

圖4 教具示意圖

5.1 實驗材料

有機玻璃板（厚度為5mm）、黑色氣動手閥開關(guān)BUC-12、PU 管（管徑為12mm）12*8mm*10 米、PU管直通12mm、PE 三通管12mm、三氯甲烷溶液*150ml。

5.2 實驗工具

HM-J1310 金屬非金屬激光切割機、365-5V 自吸水泵、有機玻璃膠水。

5.3 創(chuàng)新設(shè)計

2.0版裝置由透明的亞克力板制作而成，包括容器中引導(dǎo)水流的PU 管都使用透明材質(zhì)，在視覺上增強“可視化”效果和“美觀化”程度；此外通過安裝自吸水泵實現(xiàn)從原先的手動開關(guān)變?yōu)樽詣涌刂?，在解決手工操作的同時也避免演示過程需要反復(fù)裝水的麻煩，使水的循環(huán)自動化，可以持續(xù)穩(wěn)定的展示虹吸現(xiàn)象和反復(fù)進行實驗演示。

5.4 科學(xué)探究

（1）打開抽水機往高、低水箱內(nèi)注水.觀察到低處水箱中液面高過PU 管頂部時，停止進水.（開關(guān)②、③ 閉合，開關(guān)④、⑤ 打開）。此時虹吸現(xiàn)象發(fā)生，低處水箱的水通過PU 管進入到高水箱中，通過管口F 流出（如圖5）。

圖5 虹吸現(xiàn)象

（2）打開開關(guān)③，閉合開關(guān)⑤；觀察左邊水流情況。虹吸現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)生，

此時低處水箱的水通過PU 管進入到高處水箱中，通過管口G 流出，管口H、F

均不出水。

（3）打開開關(guān)②，閉合開關(guān)④；觀察左邊水流情況；虹吸現(xiàn)象停止，此時低處水箱的水無法通過PU 管進入到高處水箱中，管口H、G、F 均不產(chǎn)生水的流動。

在高、低水箱上設(shè)有兩個小孔，堵住其中任一小孔，原本產(chǎn)生的虹吸現(xiàn)象會因為被壓水箱中有限的大氣壓強而被迫停止.當(dāng)松開小孔后，原本暫停的虹吸現(xiàn)象又會再次發(fā)生。

6 3.0 版本“虹吸”教具

3.0版虹吸教具（下圖6）在2.0 版基礎(chǔ)上加入了數(shù)字化硬件模塊（下圖7），3.0 版虹吸教具在可探究性（Science）、技術(shù)含量（technology）、工程設(shè)計（Engineering）、教具美觀度（Art）以及數(shù)字化硬件（Mathmatic）等方面較好的融入STEAM.在原來2.0 版“實驗的可視化、操作的自動化、裝置的美觀化”基礎(chǔ)上，在“探究的變量化、設(shè)計的工程化、技術(shù)的數(shù)字化”等方面繼續(xù)進行創(chuàng)新與改進。

圖6 3.0 版虹吸教具

圖7 數(shù)字化硬件模塊

在3.0 版的設(shè)計中充分考慮虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生條件和臨界條件及其相關(guān)影響因素，提供盡可能的變量操作，以便能深入開展虹吸現(xiàn)象的科學(xué)探究與實踐體驗，有利于學(xué)生掌握虹吸實驗的科學(xué)原理。還能培養(yǎng)學(xué)生掌握基本工具的使用，熟悉工程設(shè)計的流程，運用現(xiàn)代編程軟件、平面加工軟件、三維建模軟件、電路設(shè)計軟件等新技術(shù)進行創(chuàng)新設(shè)計。

6.1 實驗材料

Arduino UNO 板*1、HC-SR04 超聲波測距模塊*1、LCD 屏(1602 5V)*2、KEYES 水位傳感器*1、繼電器*1、365-8V 水泵*1、9V 鋰電池*1、LED 燈(3.3V～ 5V)*1、亞克力板若干、亞克力板膠*1、導(dǎo)線若干、激光筆、PU 管（內(nèi)徑5mm）

6.2 實驗工具

米思齊編程軟件、Artcam 平面加工軟件、Sketchup 三維建模軟件、Frizting 電路設(shè)計軟件。

6.3 創(chuàng)新設(shè)計

3.0版虹吸裝置通過PU 管設(shè)置兩個有高、低落差的水箱，使水流從高處引流至低處，以滿足虹吸現(xiàn)象的基本條件，并在高位水箱側(cè)面設(shè)計一個上、下滑軌結(jié)構(gòu)（如圖8），以改變?nèi)胨诤统鏊诘母叨炔疃绊懰鞯乃俣?，學(xué)生可以嘗試在不同的條件下體驗變量改變產(chǎn)生的實驗效果。同時在水平方向增加水平刻度尺（如圖9），用以測量水流從入水口流出后的水平距離，并結(jié)合出水口的高度值，依據(jù)平拋運動的規(guī)律還可以定量估算水的流速。為學(xué)生創(chuàng)造一個可計算、可預(yù)估的真實情境，促進不同知識之間的橫向遷移。

圖8 上、下滑軌結(jié)構(gòu)

圖9 在水平方向增加水平刻度尺

3.0版虹吸裝置還加入了LCD 屏（如圖10），可以實時顯示超聲波傳感所測量入水口和出水口的高度差，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)在LCD 屏上實時顯示水的流速大小，并可以直接進行數(shù)據(jù)整理和分析；同時在LCD 屏旁，加入一個展示距離大小的LED 燈，當(dāng)高度差越小時，LED 燈閃爍的頻率越大，反之。此外，

圖10 LCD 屏

利用激光在水中的全反射現(xiàn)象，采用固定激光筆作為光源，以光路“照亮”水路，使新裝置能夠利用光的全反射現(xiàn)象更清晰的展示水的流向。

此外，3.0 虹吸裝置采用現(xiàn)代電子軟件技術(shù)，自動化程度更高.在低水箱處利用水位傳感器（如圖11）采集水位信息，反饋給電路主板。當(dāng)水位低于20（模擬值）時，啟動水泵進行自動抽水；當(dāng)水位高于600（模擬值）時，自動關(guān)閉水泵停止抽水。

圖11 水位傳感器

6.4 科學(xué)探究

3.0版虹吸裝置在演示實驗現(xiàn)象時，能引發(fā)學(xué)生主動思考與探究：為什么出水口的高度不一樣，水流速度不一樣，落水點所在位置也不一樣？為什么激光可以順著水流拐彎呢？在進行實驗觀察時，學(xué)生往往被這些有意思的現(xiàn)象所吸引，在實驗探究中，還可以促進平拋運動的理解和全反射條件的思考，更深入開展虹吸現(xiàn)象的創(chuàng)新思考。

7 結(jié)語

物理演示實驗在物理教學(xué)中有著舉足輕重的作用，針對教具、思想、方式、操作的不斷改進或創(chuàng)新，是一項偉大的工程。[9]STEAM 項目式學(xué)習(xí)不是要把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的核心知識簡單疊加，而是要在更深的層次上把握跨學(xué)科之間的融合，注重編程、建模等現(xiàn)代軟件技術(shù)的應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生運用多種材料和不同技術(shù)方法解決實際問題，從而真正實質(zhì)性的提高他們的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。