吳鵬程
(江蘇省震澤中學 江蘇 蘇州 215200)
談到STEM教育理念最早起源于美國,它的各個字母分別代表科學(science)、技術(shù)(technology)、工程(engineering)以及數(shù)學(mathematics),旨在打破學科邊界,往往以工程項目為驅(qū)動,讓學生在項目制作過程中提升綜合素養(yǎng).近年來,隨著國際人才競爭日趨激烈,各國紛紛借鑒美國STEM教育經(jīng)驗開展教育改革[1].
STEM教育由于其本身的特點,對工程技術(shù)人才的培養(yǎng)有其獨特的優(yōu)越性[2].如何發(fā)揮STEM教育的優(yōu)勢,借助STEM項目化驅(qū)動實現(xiàn)傳統(tǒng)物理課堂的轉(zhuǎn)型,值得進一步探討.
STEM教育的教學目標一般認為是培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng),但對于STEM素養(yǎng)的定義學者們還沒有形成統(tǒng)一的認知.多數(shù)學者認為STEM素養(yǎng)應(yīng)該是在解決STEM問題過程中的綜合表現(xiàn),具體包括STEM知識、STEM思維、STEM能力以及STEM態(tài)度[3].高中物理核心素養(yǎng)主要包括:物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態(tài)度與責任.兩者的對比分析如表1所示.
表1 STEM素養(yǎng)與物理核心素養(yǎng)內(nèi)容對比
通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)STEM素養(yǎng)包含了物理核心素養(yǎng).因此,STEM教育的教學目標與我國高中物理的教學目標具有一致性.
STEM教育以項目任務(wù)為驅(qū)動,高中物理教學中的實驗加以改造均可提供項目素材.例如,在研究勻變速直線運動的教學過程中,可以創(chuàng)設(shè)工程情境,讓學生自制粗略測量加速度的工具,在研究與設(shè)計的過程中探究加速度的相關(guān)知識.
STEM教育的融入還能夠?qū)⑽锢硪?guī)律轉(zhuǎn)化為實際問題,讓學生在探究或驗證的過程中獲取知識.例如胡克定律,教師可以創(chuàng)設(shè)問題情境:如何驗證商家是否缺斤少兩?學生通過工程探究與設(shè)計,感受彈力與形變量的關(guān)系,從而進一步了解胡克定律.相較于傳統(tǒng)物理課堂,學生通過實踐,完成對知識的建構(gòu),進一步加深對知識的理解.
因此,高中物理教學內(nèi)容能夠為STEM教育提供豐富的工程背景與素材,從而實現(xiàn)基于STEM項目化驅(qū)動的課堂轉(zhuǎn)型.
絕大多數(shù)高中都已配備了物理實驗室能夠滿足一定的物理實驗需要,這也為STEM項目化驅(qū)動轉(zhuǎn)型提供了良好的環(huán)境.STEM工程問題的解決離不開工程探究,而物理實驗室能夠提供大量的實驗器材,既能夠滿足工程探究的需求,也能夠節(jié)省學校的開支.
教育部2017年頒布的新版高中物理課程標準中也指出:要積極引導(dǎo)學生自主學習,教學方式要多樣化,要創(chuàng)設(shè)利于學生自主探究的學習情境[4].這與STEM教育理念不謀而合,為實現(xiàn)STEM項目化驅(qū)動的課堂轉(zhuǎn)型營造了良好的氛圍.
項目化驅(qū)動的關(guān)鍵在于項目選取與設(shè)計,既要符合教材與教學要求,更要貼近學生生活.本次課程選自人教版選擇性必修一“反沖現(xiàn)象 火箭”,課程標準中對該部分的要求為:知道火箭的發(fā)射利用了反沖現(xiàn)象.學生在此之前已經(jīng)學習了動量定理和動量守恒定律,具有一定的基礎(chǔ).本節(jié)課教學程序如圖1所示,物理核心素養(yǎng)目標與STEM素養(yǎng)目標對比如表2所示.
圖1 教學程序
表2 “反沖現(xiàn)象 火箭”物理核心素養(yǎng)教學目標與STEM教育培養(yǎng)目標
本節(jié)課設(shè)計的情境與項目任務(wù)如下:2021年10月16日,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了神州十三號,標志著我國的航天事業(yè)邁上新的臺階,身為高中生的我們無比自豪.請你也參與到“飛天計劃”設(shè)計并制作一款模型火箭,要求盡可能提升高度,并確保火箭落回時得到保護.
在開始制作前,教師引導(dǎo)學生思考火箭是如何升空的?大多數(shù)學生都知道是火箭受到了向上的作用力,而這個作用力是誰施加的,地面還是噴出的氣體?基于上述思考,結(jié)合動量守恒定律,由此引出反沖現(xiàn)象的概念.
關(guān)于升空高度的思考,學生在教師的指導(dǎo)下嘗試進行基礎(chǔ)探究.思考如何將坐在滑板上的人“發(fā)射”出去.學生提出很多想法,例如手持滅火器、手持水槍、拋出重物等等.在此基礎(chǔ)上,教師帶領(lǐng)學生以手持滅火器為例進行“發(fā)射”實驗,如圖2所示.
圖2 模擬發(fā)射實驗
實驗完成后學生思考滑板與人獲得的速度與哪些因素有關(guān),基于該思考建構(gòu)實驗?zāi)P腿鐖D3所示.
圖3 “發(fā)射實驗”模型
假設(shè)在極短的時間內(nèi)滅火器噴出的粉末質(zhì)量為Δm,水平噴出的粉末相對于發(fā)射前人的速度為u,噴出粉末后剩余整體質(zhì)量為m,試求人獲得的反沖速度,學生根據(jù)動量守恒定律可得
mΔv+Δmu=0
其中負號表示人獲得的速度與粉末噴出速度方向相反.通過該式我們發(fā)現(xiàn)人能獲得的速度與Δm、m的比值以及u的大小有關(guān).因此可以從提高噴出粉末質(zhì)量與剩余整體質(zhì)量的比值以及粉末噴出速度的角度著手,引導(dǎo)學生進行相關(guān)資料的查詢與學習.在基礎(chǔ)探究過程中學生還發(fā)現(xiàn),采用該方法人能夠滑行的距離較短,又該如何增加滑行距離?通過瓶口壓力表發(fā)現(xiàn)隨著粉末的噴出,瓶內(nèi)的壓力逐漸減小,噴出的粉末速度也逐漸減小,因此人的滑行距離較短.增加滑板上滅火器的數(shù)量是否就一定能增加滑行距離?學生容易想到,已經(jīng)用完的滅火器如果還置于滑板上,人能獲得速度也將變小,應(yīng)該將空瓶舍棄,至此分級火箭的概念呼之欲出.
項目還要求在火箭落地時要得到保護,學生結(jié)合之前所學動量定理提出可以給水火箭安裝降落傘、設(shè)置緩沖墊等.
該環(huán)節(jié)主要依靠教師引導(dǎo),學生自主探究,通過物理建模等途徑,逐漸形成物理觀念,并在此過程中逐步提升學生的科學思維能力.
基于之前的分析與初步探究,學生開始自由分組,做好分工與合作.在查閱相關(guān)資料后,學生了解到現(xiàn)代的火箭噴氣速度通常在2 000~5 000m/s,很難進一步提高,因此需要提高火箭噴出的燃氣質(zhì)量與火箭剩余質(zhì)量的比值.在航天領(lǐng)域,火箭噴氣前的總質(zhì)量M與火箭噴氣后剩余質(zhì)量m的比值叫做質(zhì)量比,但是現(xiàn)代火箭的質(zhì)量比一般小于10.結(jié)合基礎(chǔ)探究活動中拋棄廢瓶的做法,學生更容易理解分級火箭的設(shè)計理念.
分級運載火箭利用燃料燃燒噴出高溫高壓氣體實現(xiàn)反沖升空,模擬火箭又該采用何種方式?經(jīng)過討論,學生想到了水火箭,并發(fā)現(xiàn)隨著火箭級數(shù)的增加連接部分的氣密性會受到較大影響,同時水火箭整體質(zhì)量也會增加從而影響升空高度,最終學生決定設(shè)計并制作二級水火箭.
各組分工協(xié)作,設(shè)計水火箭的主體結(jié)構(gòu)與連接方式,并借助建模軟件繪制了產(chǎn)品模型,如圖4所示.
圖4 學生設(shè)計圖
在應(yīng)用動量定理時考慮到反沖力較大,學生增加了發(fā)射底座以穩(wěn)定火箭發(fā)射.制作材料大多易于獲取,例如飲料瓶、魚線、塑料膜等,這些身邊的材料有大用場.部分不易獲取的零件,學生借助3D打印機進行了個性化制作.其他組員設(shè)計了制作流程,主要包括發(fā)射底座的制作與安裝、箭體拼接、降落傘安裝以及氣密性檢測等.
本環(huán)節(jié)的順利開展需要學生整合應(yīng)用各學科知識,例如數(shù)學在尺寸設(shè)計方面的應(yīng)用,材料學在選材方面的應(yīng)用、建模軟件在模型設(shè)計方面的輔助等等.該過程教師要避免過多干預(yù),讓學生在該環(huán)節(jié)充分思考,提升科學思維與科學探究能力.
在完成方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,各組進行產(chǎn)品制作.學生選用了兩個相同大小的飲料瓶在底部挖出相同尺寸的小孔,然后通過螺栓與墊片進行“串聯(lián)”組成一級箭體,并在其頭部安裝一級降落傘.二級箭體主要由飲料瓶、薄膜降落傘構(gòu)成.學生將一級箭體與二級箭體間通過氣閥、塑料軟管等零件連接.至此,二級水火箭產(chǎn)品初步制作完成,實踐過程及成果如圖5所示.
圖5 學生STEM項目實踐過程
該部分各組員之間相互配合完成制作,教師對學生的操作過程給予適當?shù)囊龑?dǎo)與幫助.制作過程既鍛煉了學生的動手實踐能力,也逐步提升了學生的科學探究能力.
在教師的組織下,各小組講解了本組水火箭的設(shè)計思路、構(gòu)造,并進行了實地發(fā)射以檢驗項目達成度,如圖6所示.通過實踐,學生也發(fā)現(xiàn)了本組產(chǎn)品的不足之處,例如部分小組降落傘未打開,箭體連接處氣密性差升空高度低等.學生在該階段通過對比其他小組的作品進行了自主反思與改進工作.
教師在此過程中進行適當?shù)狞c評與分享,幫助學生鞏固強化本節(jié)課的內(nèi)容.該交流分享環(huán)節(jié)既有利于提升學生的溝通能力,也有利于學生在反思中提升科學思維能力.
基于STEM項目化驅(qū)動的課堂,教學評價方式也不再單一,在整個項目活動中采用多樣化多元化全過程的評價方式.評價主體包括教師評價、學生自評與互評相結(jié)合,評價貫穿整個項目活動.學生最終的STEM項目成績由教師評價、小組自評與小組互評共同構(gòu)成,滿分為100分,按照表3各項指標進行評價,最終得分取教師評價、小組自評與小組互評的平均分作為該小組STEM項目活動分數(shù).實踐完成后統(tǒng)計得出各組項目活動平均分均達到87分以上,項目達成度較高,符合教學預(yù)期目標.
表3 STEM項目成績評價表
區(qū)別于傳統(tǒng)的物理課堂和單純的水火箭制作,本節(jié)課基于STEM教育理念,創(chuàng)設(shè)工程情境驅(qū)動學生在完成項目任務(wù)的過程中掌握相關(guān)知識與技能.在基礎(chǔ)探究過程中,學生通過實驗分析火箭升空原理感知反沖現(xiàn)象,通過建構(gòu)物理模型推導(dǎo)其速度的影響因素從而理解多級火箭的設(shè)計理念.在項目產(chǎn)品的制作過程中,學生綜合運用了物理學、數(shù)學、材料學、工程學等學科知識來解決問題,打破了學科邊界.3D打印、軟件建模等技術(shù)的應(yīng)用則進一步提升了學生綜合素養(yǎng).產(chǎn)品的制作完成并不代表課堂的結(jié)束,學生在展示交流的過程中不斷反思與改進,逐步提升科學思維.
在STEM項目化驅(qū)動的課堂中,科學、技術(shù)、工程、數(shù)學4要素都與高中物理課程實現(xiàn)了深度融合,學生的主觀能動性也得到了充分發(fā)揮.教師以物理課程為素材精心開發(fā)工程項目,以“引導(dǎo)”代替“講解”,學生以“探究性協(xié)作”代替“機械性制作”.基于STEM項目化驅(qū)動的新型課堂為學生核心素養(yǎng)的發(fā)展提供了新的可能.