龔文超

（浙江省義烏市義亭中學，浙江 金華）

一、STEAM教育理念應用的必要性

物理學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理核心素養(yǎng)與STEAM教育理念是統(tǒng)一的。STEAM教育可以讓學生更深刻地認識與物理有關的科學、技術、工程、藝術、數學等問題，有利于學生形成科學思維。STEAM教育注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性和自主性，引導學生在實踐中發(fā)現問題、探究問題和解決問題，養(yǎng)成嚴謹的科學態(tài)度與責任。因此，將STEAM教育理念引入物理教學中，有助于提高學生的物理核心素養(yǎng)。

二、融入STEAM教育理念的物理課堂教學“困境”及解決方式

（一）遇到的“困境”

1.在時間安排上的“困境”

高中物理課堂教學時間緊、任務重，而STEAM教育基于問題和項目來開展學習活動，在學習過程中需要從真實的情境中提出問題，經歷模型構建、方案設計、項目制作、成果展示、交流評價等環(huán)節(jié)，需要大量的時間。課堂教學中既要完成常規(guī)的教學任務，又要完成某一個項目，時間上“捉襟見肘”。

2.在學生能力上的“困境”

高中生雖然已經具備了一定的觀察、思維和應用的能力，但也存在動手能力不足、缺乏生活經驗、不會使用各種工具以及缺少創(chuàng)新能力等問題。

3.在材料準備上的“困境”

STEAM教育的項目制作需要各種各樣的器材和材料，這些“非標準化”的器材和材料需要自行選擇和準備。同時，選擇何種材料和器材又與設計的方案息息相關，給課堂增加了不可控的因素。

（二）解決的方式

1.完善課前的準備工作

課前應做好充分的準備，如完善項目的設計方案、選擇合適的材料等。材料應具備易得、易加工、便宜、安全、效果顯著等特點。

2.合理安排課堂教學內容和時間

在課堂教學中，項目的開展應服務于本節(jié)課的內容，應將重點放在基于本節(jié)課的原理上進行方案的設計。教師要做好引導，設置合理的問題，降低學生設計的難度，使學生通過討論和思考逐步形成較為完善的設計方案。項目制作、成果展示、交流評價等環(huán)節(jié)可進行部分刪減，留待課后完成。

3.開展課后的設計制作評比活動

一堂課的時間很難完整地完成一個項目，即便在教師的引導下學生完成了設計和制作，也存在設計方案單一、學生未能充分參與、制作的成品粗糙等問題。因此，教師有必要開展課后的設計制作評比活動，發(fā)揮學生的主觀能動性，使其通過合作交流、方案改進、藝術加工等完成制作。教師就成品的材料、性能、外觀、結構等幾個方面進行評價。

4.組織開展社團活動

學生動手實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)并非一朝一夕可成，組織開展科技創(chuàng)新類的社團活動有利于學生能力的培養(yǎng)。

三、融入STEAM教育理念的“靜電的防止與利用”教學設計

（一）教材分析

本節(jié)課旨在提高學生綜合運用電學知識的能力，加強學生聯(lián)系生活并解決實際問題的能力。教材內容可以歸納為1條主線、2個知識點、2個應用、1類拓展（圖1）。

圖1

（二）學情分析

學生已經學習了電荷、靜電力、電場、電場線等電場的知識，具備了綜合探究靜電現象的知識基礎。同時，高二學生已經具備了一定的實驗探究能力和實驗設計能力，但將物理知識與生活相結合并解決實際問題的能力較為薄弱，且缺乏動手能力和創(chuàng)新能力。

（三）教學過程

1.情境激趣導入新課

情境導入：

觀看一段精彩的“閃電秀”表演：利用特斯拉線圈制造出高壓電弧，表演者身穿金屬衣進行表演。

提出問題：金屬是導體，為什么穿上“金屬網”反而不怕電呢？這種“超能力”背后有什么物理規(guī)律呢？

2.建立模型探尋規(guī)律

建立模型：用勻強電場代替特斯拉線圈產生的非勻強電場；用不帶電的金屬板代替金屬衣。利用模型構建，把復雜的實際問題抽象成物理模型：勻強電場中的金屬導體。

對導體內部電場分布的研究需配合PPT動畫進行分步演示。利用問題鏈引導學生深入思考，逐步遞進，追尋靜電感應的動態(tài)變化過程，引導學生經歷抽象、分析、歸納的過程，逐步得到導體的靜電平衡狀態(tài)。

模型應用1：靜電屏蔽

提出問題：處于勻強電場中的金屬導體內部場強處處為零，若在導體內部挖出一個空腔，空腔內部場強為零嗎？若將金屬導體換成金屬網，內部場強為零嗎？處于非勻強電場中的金屬導體內部場強是否也為零？

演示實驗1：隔空點亮節(jié)能燈

打開輝光球，教師手拿節(jié)能燈靠近輝光球，讓學生注意觀察實驗現象。

總結：輝光球的原理與特斯拉線圈類似，都能產生高壓，形成電場（非勻強電場），電場可使節(jié)能燈內的惰性氣體電離而發(fā)光。

演示實驗2：金屬網屏蔽

步驟1：將節(jié)能燈放入透明的塑料瓶中，靠近輝光球，觀察實驗現象。

步驟2：將節(jié)能燈放入致密的金屬網中，靠近輝光球，觀察實驗現象。

步驟3：分次抽出金屬網中的金屬絲，使金屬網變疏，再靠近輝光球，觀察節(jié)能燈亮度變化。

歸納總結：導體殼（金屬網）可以保護里面的區(qū)域不受外部電場的影響，導體殼（金屬網）內部場強處處為零。因此，本節(jié)課開始的“閃電秀”表演中，金屬衣里面的人是安全的，我們把這個物理現象稱為靜電屏蔽。同時，處于非勻強電場中，導體殼（金屬網）內部場強仍為零，說明處于非勻強電場中的導體也處于靜電平衡狀態(tài)。

聯(lián)系生活實際：舉例靜電屏蔽在生活中的應用。

（1）屏蔽線：用金屬網狀編織層把信號線包裹起來的傳輸線。

（2）電子儀器的屏蔽：電腦主機箱外殼為金屬。

（3）金屬網屏蔽：高壓帶電作業(yè)的工人穿戴的工作服，是用包含金屬絲的織物制成的。高壓輸電線上方還有兩條導線，它們與大地相連，形成一個稀疏的金屬“網”，把高壓線屏蔽起來，以免遭雷擊。

模型應用2：尖端放電

提出問題：前面我們通過理論分析得出了靜電平衡狀態(tài)下的導體電荷分布在外表面，即導體內部凈電荷為零。我們能否通過一個實驗進行驗證呢？這些電荷在外表面是均勻分布的嗎？你能否設計一個實驗方案來檢驗探究電荷的分布情況？

提出實驗方案：利用帶有絕緣手柄的金屬球，分別與金屬空腔內壁及外表面的不同部位接觸，再與驗電的金屬球接觸，觀察金屬鉑片是否張開及張開的角度大小（圖2方案1）。

提出問題：該方案確實能夠檢驗金屬空腔的電荷分布情況，但需進行多次操作。在多次的接觸檢驗過程中，金屬空腔的帶電量減少，導致金屬鉑片的張角變小，影響對電荷分布狀況的分析。能否對上述方案進行改進，使實驗更加簡單、直觀？

方案改進：直接將金屬鉑片貼在金屬空腔的內壁、外表面的平坦部位及外表面的尖端部位（鐵釘），利用感應起電機使金屬空腔帶電后，觀察各金屬鉑片張開的角度（圖2方案2）。

圖2

現象：金屬腔內壁金屬鉑片不張開，外表面兩組鉑片均張開，且尖端部位金屬鉑片張角較大。

歸納總結：靜電平衡時，導體內部沒有凈余電荷，電荷分布在導體的外表面，并且導體外表面越尖銳的位置，電荷的密度越大。

過渡：尖端部位電荷密度大會引起什么樣的結果呢？我們先來觀察一個實驗現象。利用馬克思發(fā)生器形成高壓脈沖來模擬自然界的閃電現象。

演示實驗3：模擬閃電的危害

在兩金屬極板間放入用亞克力板制作而成的“房子”，再在房子中間放入蘸有酒精的棉花，打開開關，高壓產生的“閃電”使棉花燃燒。在房子中間放入通電的LED燈珠，打開開關，“閃電”使燈珠熄滅。

提出問題：通過實驗，我們觀察到閃電的危害很大，如何才能避免雷擊呢？

演示實驗4：模擬避雷針的作用

在兩金屬板間再加入一根由銅絲制成的避雷針，打開開關，觀察到只在避雷針和“云層”之間發(fā)生放電，房屋得到了保護。（見圖3）

圖3

提出問題：為什么放入避雷針后，“閃電”不再擊中房屋而總是打在避雷針上呢？觀察生活中的避雷針，它有什么樣的特點？

多媒體動畫演示：尖端放電的實質——空氣電離。

聯(lián)系生活實際：舉例尖端放電在生活中的現象及應用。

（1）避雷針：多媒體展示各種形狀的避雷針。

（2）電子點火器：煤氣灶、打火機。

（3）高壓輸電線的表面要打磨得非常光滑。

（4）干燥的冬天不要用手指尖去觸碰金屬把手。

3.拓展應用聯(lián)系生活

通過多媒體播放空氣污染及工廠煙囪排放有毒有害氣體的圖片，提出問題：煙囪中排放的氣體含有大量的細顆粒物，它能較長時間懸浮于空氣中，是造成空氣污染的重要原因，危害人類的身體健康。我們有必要對排放在空氣中的細顆粒物進行處理。說說你有什么樣的方案。

學生提出方案：利用細密的金屬網罩、吸塵器等，并對方案的可行性做出評價。

通過本節(jié)課的學習，你能否利用以下資料設計和制作一個簡易的除塵裝置？

資料1：空氣在強電場作用下發(fā)生電離，電離后的正離子質量較大，不容易被塵埃吸收，而電離后的自由電子質量小，容易被塵埃吸收。

資料2：強電場可以由高壓來產生。

設計制作一個除塵裝置難度較大，搭建問題階梯，用一個個小問題引導學生逐步完善設計方案。

問題1：是否可以在煙囪內設置一個高壓電場，使空氣電離？利用靜電除塵？

問題2：如何形成高壓電場？兩極板用什么材料？

問題3：空氣電離后塵埃帶什么電？

問題4：帶電的塵埃如何運動？最終會吸附在哪個極板上？

問題5：負極板是否起到了吸附的作用？如何提高裝置的吸附效果？

學生活動：根據生活經驗和物理知識，在教師的引導下解決發(fā)現的問題，逐步優(yōu)化設計方案。

教師展示書本中的靜電除塵裝置原理圖（見圖4），學生觀察該原理圖有何特點，并思考是否可以在此基礎上繼續(xù)擴大吸附面積。

圖4

學生：可以在煙囪中間放置一根金屬棒，煙囪內壁放置金屬板，使金屬棒帶負電，金屬板帶正電，使吸附面積最大化。

成果展示：教師點燃煙餅放入除塵裝置底部，產生大量的煙霧。接通高壓電源后，煙霧瞬間消失。除塵效果明顯。

四、結語

STEAM教育體現了融合思想，關注實際的現象與問題，相對于傳統(tǒng)的課堂教學，其更能體現“培養(yǎng)全面發(fā)展的人才”的時代要求。本文嘗試將STEAM教育理念融入課堂進行教學設計，以期為其他教師開展STEAM教學提供參考。