STEAM教學模式在高中電磁現(xiàn)象教學中的應(yīng)用

劉 哲，裴健成，劉亞楠，陳雯歆，袁 琦，王春亮,

(東北師范大學a.物理學院；b.物理學國家級實驗教學示范中心(東北師范大學)，吉林 長春 130024)

近幾年，教育改革的大潮席卷而來，物理教育也逐漸重視應(yīng)用化、實踐化和生活化，最新提出的物理學科的核心素養(yǎng)表明：學生在接受物理教育的過程中，需要逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，要讓學生通過物理學習內(nèi)化為物理感覺. 顯然簡單的公式記憶和應(yīng)試教育已不能滿足以實驗為基礎(chǔ)的物理科目學習要求. 如何提高學生動手創(chuàng)造、自主探究能力，怎樣讓學生更好地理解知識、應(yīng)用知識，進而通過所學到的知識進行創(chuàng)造，是教育者應(yīng)該思考的問題.STEAM教學模式就是在這種背景下產(chǎn)生的新興教育模式.

1 STEAM教學模式

STEM[1]，最早是美國政府提出的教育倡議，為加強美國K12關(guān)于科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學的教育. STEM是Science(科學)、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)、Mathematics(數(shù)學)的簡稱，近期加入了Arts，也就是藝術(shù)，變得更加全面,形成全新的STEAM教育模式. STEAM教育[2]提倡新的教學方式：給學生一定的材料，設(shè)定1個目標，讓他們動手制作感興趣的作品，并且利用與生活息息相關(guān)的知識，完成設(shè)定的目標，進而從這個過程體驗學習的樂趣. 本質(zhì)上來說，整個過程學生傾聽了自己內(nèi)心的聲音，按照自己的思路和想法進行創(chuàng)造，接觸到了更真實的生活. 這把學生學習到的零碎知識與機械工程轉(zhuǎn)變成從不同側(cè)面探究世界相互聯(lián)系的過程，強調(diào)學生在“雜亂無章”的學習情境中提升設(shè)計能力、合作能力、解決問題能力和實踐創(chuàng)新能力.

STEAM教學模式作為一種教學策略，在實際應(yīng)用時，必須以解決現(xiàn)實中的實際問題為目標，以獨立思考為起點，動手實踐為核心.

2 STEAM教學應(yīng)用于電磁教學的實例

高中人教版物理教材選修3-1[3]當中介紹了靜電場、恒定電流和磁場，學生學習后對電場和磁場的概念都有了一定了解，接下來對高中人教版物理教材[4]選修3-2電磁感應(yīng)和交變電流的學習，是繼文獻[3]之后的更深入學習和應(yīng)用. 這兩冊書中的重點和難點是使學生理解“電能生磁、磁能生電”，但書中電生磁的內(nèi)容基本是圍繞電流產(chǎn)生磁場的條件、判斷產(chǎn)生磁場方向及判斷通電導(dǎo)線和帶電粒子在磁場中受力的方向判斷和計算其大小展開的；磁生電的內(nèi)容基本圍繞判斷變化的磁場產(chǎn)生電流的方向和計算其大小展開，而實際應(yīng)用部分卻很少，與實際生活離之甚遠，不能使學生通過具體應(yīng)用來鞏固理論知識，僅有的“電動機”實例構(gòu)造還較為復(fù)雜，無法使學生進行實際操作來感知原理，所以造成了學生學習和理解上的障礙. 而STEAM教學模式具有運用性強、探索性高、感知整合要求高、探索創(chuàng)新性強的特點，所以剛好可以用于解決電磁學基礎(chǔ)知識教學后無應(yīng)用、難理解、整合力不高等問題.

若要將STEAM教學模式應(yīng)用于電磁教學中，就必須明確如何設(shè)計課堂程序才能更好地體現(xiàn)科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學這5個方面的教育作用. 基于設(shè)計的學習模式出發(fā)，將課堂分為4個步驟，并在江蘇省蘇州實驗中學高二年級進行了具體實踐和調(diào)查.

1)方向引導(dǎo). 首先讓學生思考電動機在日常生活中的用途，并引導(dǎo)學生若要回答該問題，就要把電動機的功能和現(xiàn)實相聯(lián)系. 在生產(chǎn)生活中，電動機較為常見，是將電能轉(zhuǎn)化為動能的機器. 由“電動”二字就可以想到電流和轉(zhuǎn)動，緊接著就可以聯(lián)想到“通電導(dǎo)線在磁場中受力”這節(jié)課的內(nèi)容. 這樣的思考后，學生自然就會對電動機有了初步了解. 此時為學生設(shè)定本節(jié)課目標：制作簡易的電動機. (此過程用時3 min)

2)合作設(shè)計. 考慮到STEAM教學模式實施時具有一定難度，因此建議以小組協(xié)作的方式展開. 為學生提供銅線、5號電池、圓形磁鐵、鉗子、貼紙等5種材料，讓學生先進行初步設(shè)計實驗方案，思考制作電動機的方法.

讓學生進行自主探究，首先解決“能讓銅線自己動起來”這個問題. 很多組學生都想到將銅線和電池連接在一起，然后銅線中就產(chǎn)生了電流，學生們也可以感受到因為電流而產(chǎn)生出大量的焦耳熱. 之后，要想讓通電導(dǎo)線動起來，就要加上磁場的作用. 當學習者有了切實可行的創(chuàng)造方案后，找到教師交流想法，此時教師聽到學生的想法后，不做可行性評價，僅做簡單的引導(dǎo)并指出其具體錯誤. (這部分包含了物理科學知識，讓學生將安培力加以具體實踐應(yīng)用，此過程用時3 min)

3)實際操作. 讓學生進入到具體動手實踐環(huán)節(jié)，要求將設(shè)計方案在一定時間內(nèi)實施. 然而真正動手實踐往往與設(shè)計有一定的差距，可能會遇到很多意想不到的問題，例如，學生不知道如何將電池、銅線、磁鐵進行組合才能使銅線自動轉(zhuǎn)動起來. 這時，設(shè)計解決方案就是一個特別重要的環(huán)節(jié)，一定要告訴學生按照實際情況進行改進，不斷地探索新方法. 通過一定的引導(dǎo)，學生想到，將磁鐵吸于電池負極上，之后將銅線纏繞，一端接觸電池正極，一端接觸磁鐵(此磁鐵為導(dǎo)體，相當于接觸電池負極)，這樣就將銅線、電池、磁鐵構(gòu)成了一個整體(這個過程涉及到物理動力學知識、工程設(shè)計能力、實施技術(shù)可行性分析). 經(jīng)過以上學生自主探究和操作改進，由最先開始銅線無法轉(zhuǎn)動，到最后真的實現(xiàn)了讓銅線自主轉(zhuǎn)動起來. (整個過程經(jīng)歷了15 min)

當有1組學生成功設(shè)計出作品后，其他組學生都會進行效仿和參考. 此時教師要讓大家一起學習和研究銅線轉(zhuǎn)動的原理和設(shè)計思路，并思考：設(shè)計出來的這個作品是否有需要改進之處.

大家發(fā)現(xiàn)：因為銅線與電池正極接觸不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動一定時間后，銅錢就會脫離正極，停止轉(zhuǎn)動. 為此，學生想出將貼紙進行裁剪，圍繞在電池正極，形成與類似柵欄的結(jié)構(gòu). 這樣銅線就會在柵欄內(nèi)運動，不會與正極脫離. (此部分進一步要求學生發(fā)揮工程設(shè)計能力以及技術(shù)操作能力)

在解決了銅線轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性問題的基礎(chǔ)上，對實驗裝置進行了進一步探究，提高銅線的轉(zhuǎn)速.

學生為了提高電動機的轉(zhuǎn)速，就想到增大安培力，又因為F=ILBsinθ(θ為I和B的夾角)，所以學生想出增大電流、增大磁場、減小摩擦力等多種方法.

此時教師可以讓學生們按照增大磁場的思路進一步探究磁鐵個數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系. 學生通過測量1 min內(nèi)銅線轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，計算出銅線的轉(zhuǎn)速，并成功測量出不同磁鐵個數(shù)下銅線的轉(zhuǎn)速，繪制其曲線圖(如圖1所示).

圖1 銅線轉(zhuǎn)速與磁鐵個數(shù)的半定量關(guān)系

通過繪出轉(zhuǎn)速隨磁鐵個數(shù)變化曲線后發(fā)現(xiàn)，磁鐵從6個增加到9個的過程中，隨著磁鐵的個數(shù)增加，轉(zhuǎn)速逐漸增大，可是并不成線性增大. 當計算出第10個磁鐵轉(zhuǎn)速時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速突然下降. 為了避免偶然性，又重新測量了10個磁鐵時的轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速更小了，學生們認為可能是因為線圈在轉(zhuǎn)動過程中消耗了大量的電能，使電池有了很大的損耗造成的. (此過程鍛煉了學生的數(shù)學測量、計算能力，同時也鍛煉了學生思考實際問題的能力)

有1組學生為了提高轉(zhuǎn)速，減小整個裝置的摩擦，設(shè)計了這樣的電動機裝置：纏繞銅線成多層正方形(增大了通電導(dǎo)線在磁場中的長度)，為線圈和電池搭建支架，線圈只有2個點與支架接觸，減小了接觸面積從而減小了裝置的摩擦力，整個裝置接上電池后有了電流，將磁鐵靠近后，通電線圈瘋狂轉(zhuǎn)動了起來.

為了進一步加深作品的藝術(shù)性，讓其看起來更加美觀，讓學生再次進行改進和設(shè)計.

有1組學生巧妙地將銅線環(huán)繞成愛心的形狀，之后放到電池上構(gòu)成回路，在磁場作用下環(huán)繞了起來，外形大方且充滿創(chuàng)造力. 裝置外觀得到了改觀，藝術(shù)性得以體現(xiàn)(如圖2所示). (這個過程增添了對學生藝術(shù)能力的要求，讓其更加有興趣融入到設(shè)計當中，該過程進行了15 min)

圖2 心形作品

4)總結(jié)反思. 此階段分為2個方面進行：一方面深入探討銅線轉(zhuǎn)動的本質(zhì)原因；另一方面探討制作過程的收獲與經(jīng)驗.

在討論銅線轉(zhuǎn)動的階段，學生自主上臺發(fā)言并繪制示意圖，總結(jié)出：導(dǎo)線連接了電池的正負極，從而產(chǎn)生電流，在導(dǎo)線下方放置磁鐵，使整個裝置處于磁場中，電流產(chǎn)生磁場，利用磁場的相互作用產(chǎn)生力的作用，根據(jù)左手定則判斷安培力的方向，發(fā)現(xiàn)兩線圈產(chǎn)生力矩相反，剛好使線圈轉(zhuǎn)動起來. (此環(huán)節(jié)用時4 min)

3 STEAM在電磁教學當中的價值與意義

動、力、溫、距、樂、視、時是我們感知這個物質(zhì)世界最重要的感知覺，運動、受力與施力、溫度、距離、音樂、時間貫穿了整個物理的世界[5]，物理源于生活，生活處處有物理，物理有趣的不僅僅是神奇的自然和實驗現(xiàn)象，更重要的是它能夠揭開物質(zhì)世界的神秘面紗. 可是由于要面對高考分數(shù)的壓力，學生們卻對物理學科敬而遠之，覺得物理學習枯燥乏味、艱苦難行、邏輯要求高，究其原因一定程度上受傳統(tǒng)物理教學的影響，本來以實驗為主要形式的學科，卻變成教師講學生記，一紙一筆的應(yīng)試教育. 所以，若想要改變尷尬的現(xiàn)狀，并不應(yīng)該一味責難制度的不完善和學生畏難從易的心理，物理教育者應(yīng)該重新審視自身的教學，改變乏味陳舊的物理教育方法，尋求探索新的教學途徑，讓學生對物理有興趣、有信心，讓物理感覺成為學生心中必不可少的元素，成為一生的素養(yǎng)，讓學生成為敢于提問的人. STEAM作為一種強調(diào)實驗創(chuàng)造的教學模式，在物理教學中是回歸物理本質(zhì)教學思想的體現(xiàn). 其在我國掀起的教育改革浪潮，讓我們看到了物理教學的發(fā)展模式的多樣性.

3.1 潛心理解原理，更要注重實踐

“學過”、“學懂”和“學會”是學習的3種不同的境界. 在電磁學學習階段，學習的有關(guān)電生磁、磁生電的相關(guān)知識，死記硬背的確能夠按照套路進行解題，不過這種知識的應(yīng)用僅僅是停留在知識的表面，絕大多數(shù)學生根本不理解為什么要這樣做，有了這樣的知識儲備，在生活中也不知道有怎樣應(yīng)用，經(jīng)過時間的流逝，這種表層的記憶也會慢慢消逝，再看到相關(guān)的生活現(xiàn)象，也只能胡亂猜測或是驚嘆其神奇，此為“學過”. STEAM恰巧解決了這樣的尷尬情況，讓學生自主探索，靈活應(yīng)用，將學到的知識內(nèi)化，經(jīng)過反復(fù)思考、反復(fù)應(yīng)用之后，在以后生活中再遇到相似的問題，可以聯(lián)想到當初學到的知識，還可能給他人講解原理，此為“學懂”. 通過STEAM的體驗感受激發(fā)了這方面的學習興趣，不斷鉆研，作為自己人生的研究方向，在此創(chuàng)新，應(yīng)用于生活，融匯貫通，此為“學會”. 經(jīng)過本節(jié)課程的訓(xùn)練，收到了來自學生很多的課堂回饋，有學生說通過此節(jié)課加深了對安培力的理解，有學生說真沒想到復(fù)雜的電動機竟然通過這么簡單的幾種生活常見的材料就可以制作出來，甚至有學生說通過本節(jié)課愛上了動手制作，以后到大學要學習工科. 因此，STEAM應(yīng)用于電磁教學當中，承擔了鞏固的踏板、搭建興趣的橋梁、探索的基石的作用.

3.2 統(tǒng)籌整合，強調(diào)引導(dǎo)

教師在講解新課時，常舉生活中常見的例子進行引課，可是這種引課屬于“只有開頭，沒有結(jié)局”. STEAM教學模式能夠在讓學生們聯(lián)想生活的同時，結(jié)合自己學習到的原理進行思考和應(yīng)用，雖然學生們制作出來的作品有很多都是現(xiàn)成商品的“山寨版”，可是不要小看這種看似“山寨版”的創(chuàng)作，因為實際的創(chuàng)新過程，必須存在“復(fù)制”的過渡階段，這是摸清原理、鞏固知識、發(fā)現(xiàn)缺陷問題的絕佳時期，并且此過程很大程度上鍛煉了學生“整合跨界能力”，避免了“知識孤立，單項獨行”的情況，讓學生將自己所積累的知識(無論是課本上學到的，還是生活當中積累的)，盡力應(yīng)用到作品中. 唯有這樣，才能體現(xiàn)“實踐出真知”的道理，才可能有更大的創(chuàng)新，突發(fā)奇想，是少見的，不易成功的，所以，一點一滴的探索，不斷地統(tǒng)籌整合，才能有長足的發(fā)展.

在STEAM教學模式下的課堂，教師指導(dǎo)學生實際探索目標的過程中，“教師講，學生聽”的情況也有了很大程度的改變，這時學生成為了“主體”，自己對知識進行回憶和應(yīng)用，自己進行可行性評價和分析，而教師僅僅需要提出建議，擔當“主導(dǎo)”的角色，教師也絕對不能因為學生出現(xiàn)很多問題而中斷學生的自主性行為，因為錯誤的寶貴性和啟發(fā)性遠比成功的作品有價值得多. 與此同時，作為教師，還要不斷指出學生美中不足的地方，讓其持續(xù)思考，不斷改進，養(yǎng)成臻于完美的制作理念.

3.3 正視合作探討的價值，強調(diào)反思的意義

課堂討論、共同合作的學習方式越來越為教育者重視，但在實踐過程中卻出現(xiàn)很多貌合神離的現(xiàn)象. 現(xiàn)如今課堂上的小組討論形式多種多樣，可是不免形式化泛濫，只因討論的話題和內(nèi)容并不能激發(fā)學生真正想探討問題的興趣. 教師也沒有對這種學習方式進行深入地研究和探索，所以不能很好地把握其在課堂中開展的要素及相應(yīng)的教學方法，學生停留在問題的表面，亦或是佯裝出討論的樣子，更有甚者借著討論之名談?wù)撈渌氖虑椋チ擞懻摰膬r值與意義. STEAM教學模式下，學生因為產(chǎn)生了想與本組成員合作制造出作品的興趣，所以排除了外部的因素，內(nèi)化的動力更強，而且在制作過程中，會遇到各種各樣的問題，因此大家為了解決同一個問題，會各抒己見，發(fā)揮每個人的生活經(jīng)驗，講理由擺道理，到最終統(tǒng)一意見，進行實施操作. 整個過程實質(zhì)上在重復(fù)這樣的過程：發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計解決方法—利用科學、科技、工程和數(shù)學等知識解決問題—在藝術(shù)性上對作品進行規(guī)范. 在此過程中團隊合作顯得異常重要，因為不同人從不同角度對問題進行理解，使制作過程更加嚴謹，更具有可能性與豐富性. 真正引發(fā)了學生的思考，調(diào)動了學生的積極性. 而在制作出成品后，無論成功還是失敗，都要進行反思，反思是在完成一件事情后，對事情的重新思考和評價，是吸取經(jīng)驗和規(guī)避雷同問題的很好的途徑，最終不僅僅停留在制作出心滿意足的作品上，更多的是對問題的思考和生活問題最優(yōu)化、合理化、真實化的運用，強調(diào)的是思考問題的方法. 所以反思，是必不可少的環(huán)節(jié).

4 結(jié)束語

STEAM教學模式，重實踐，要創(chuàng)造。此教學模式在我國剛剛興起，無論是教學內(nèi)容還是教學模式都需要不斷地探索，在我國有著巨大的發(fā)展空間和強大的生命力. 本文將STEAM教學模式具體應(yīng)用于了“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”一課中，在老師的引導(dǎo)下，學生通過實踐創(chuàng)造，成功制造出了造型各異的簡易電動機，激發(fā)了學生興趣，培養(yǎng)了學生的綜合能力. 望本文能為致力于物理教學的一線教師提供一些教學參考.

[1] 鐘柏昌，張麗芳. 美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示[J]. 中國電化教育，2014(4):18-86.

[2] 傅騫，劉鵬飛. 從驗證到創(chuàng)造——中小學STEM教育應(yīng)用模式研究[J]. 中國電化教育，2016(4)：71-105.

[3] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標準實驗教科書(選修3-1)[M]. 北京：人民教育出版社：1-33,79-99.

[4] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標準實驗教科書(選修3-2)[M]. 北京：人民教育出版社：1-26.

[5] 于海波. 返璞歸真:讓物理感覺成為教學的內(nèi)在追求[J]. 天津師范大學學報 (基礎(chǔ)教育版),2011,12(4):42-45.