基于STEM教育理念的豎直平面圓周運(yùn)動(dòng)脫軌問(wèn)題研究

戴浩　周智良

摘 要：基于物理核心素養(yǎng)的STEM 課程整合與創(chuàng)新案例對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維有著巨大的促進(jìn)作用。文章以豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)脫軌問(wèn)題作為研究性學(xué)習(xí)的素材，利用Autodesk 123D Design 3D打印技術(shù)開(kāi)展STEM 教育與物理教學(xué)相整合的實(shí)踐和探索，探討在高中物理課程中如何融入STEM教育理念，培養(yǎng)學(xué)生基于現(xiàn)象的分析能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：STEM教育；脫軌問(wèn)題；Autodesk 123D Design3D打印技術(shù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）8-0063-2

1 問(wèn)題的提出

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱。STEM 教育并不是指把四門學(xué)科進(jìn)行簡(jiǎn)單的“拼盤”，其核心內(nèi)涵是要把這四個(gè)方面的內(nèi)容整合成一個(gè)有機(jī)體，以基于項(xiàng)目的學(xué)科交融方式更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。我國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)教育有著良好的科學(xué)-數(shù)學(xué)整合傳統(tǒng)，但是在科學(xué)-技術(shù)整合和科學(xué)-工程整合上還存在著很大的不足，甚至是缺失。就物理學(xué)科而言，其本身就與技術(shù)和工程有著潛在的聯(lián)系。因此，我們可以在物理教學(xué)中融入STEM教育理念，以涉及STEM的生活和工作的項(xiàng)目或?qū)ｎ}推動(dòng)物理課程的STEM教育轉(zhuǎn)型。下面舉例說(shuō)明。

物體在豎直平面內(nèi)光滑圓軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，什么情況下能夠保持沿著圓軌道運(yùn)動(dòng)而不脫離軌道？什么情況下又會(huì)脫離圓軌道？如果脫離，在什么位置脫離？

2 創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生利用物理規(guī)律分析脫軌條件

如圖1所示，一個(gè)豎直平面內(nèi)半徑為R的光滑圓環(huán)軌道和光滑斜面軌道平滑連接。一個(gè)質(zhì)量為m的小球從斜面上高為h處滾下。若h=2R，小球在軌道上運(yùn)動(dòng)能通過(guò)圓環(huán)的最高點(diǎn)嗎？

將設(shè)計(jì)好的3D模型保存后導(dǎo)入Flashprint，連接3D打印機(jī)即可制作出這種軌道模型。

雖然3D打印所使用的材料ABS （ 樹(shù)脂，Acrylonitrile Butadiene Styrene）具有良好的剛硬、光滑的特性，但是考慮到軌道本身的光滑程度對(duì)脫軌位置的驗(yàn)證非常重要，所以剛打印出來(lái)的模型需要經(jīng)過(guò)拋光處理。

3D打印完成后常見(jiàn)的拋光的方法很多，如砂紙打磨、溶劑蒸汽熏蒸（例如用丙酮拋光的辦法）。

由于ABS材料本身呈象牙色，而且具有很好的染色性，我們可以通過(guò)在小球表面涂上相應(yīng)的顏料，然后由靜止釋放小球，觀察小球脫離軌道的具體位置。顏料痕跡消失的位置即為小球與軌道的脫離點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)完畢可以用洗潔精或清洗劑蘸水直接洗掉。

接下來(lái)學(xué)生就可以驗(yàn)證脫軌位置與理論計(jì)算結(jié)果是否在誤差允許的范圍內(nèi)一致了。

4 脫軌問(wèn)題中涉及到的STEM

（1）脫軌研究項(xiàng)目中涉及到的S（科學(xué)）

本項(xiàng)目中涉及到的S（科學(xué)）概念與規(guī)律有：圓周運(yùn)動(dòng)、向心力及向心加速度、重力做功與重力勢(shì)能、動(dòng)能及動(dòng)能定理、能量守恒定律。

（2）脫軌研究項(xiàng)目中涉及到的T（技術(shù)）

信息技術(shù)的運(yùn)用、Autodesk 123D Design的熟練操作、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理。

（3）脫軌研究項(xiàng)目中涉及到的E（工程）

加工材料的選擇與使用、軌道的拋光處理、軌道的設(shè)計(jì)、清洗、建模與制作、結(jié)果的評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

（4）脫軌研究項(xiàng)目中涉及到的M（數(shù)學(xué)）

高度與半徑的測(cè)量、三角函數(shù)、建立方程及解方程、坐標(biāo)系的建立（分析脫軌之后的斜拋運(yùn)動(dòng)）。

5 結(jié) 語(yǔ)

物理學(xué)科對(duì)實(shí)施STEM教育具有天然的學(xué)科優(yōu)勢(shì)[3]。教師要多創(chuàng)造條件使得學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)中，通過(guò)科學(xué)探究、數(shù)學(xué)計(jì)算、技術(shù)和工程的系統(tǒng)性應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體的研究性學(xué)習(xí)方案的設(shè)計(jì)和裝置的制作，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)和技能的遷移，加深他們對(duì)技術(shù)、工程與科學(xué)、數(shù)學(xué)聯(lián)系的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷召連.物體在豎直圓軌道上運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的數(shù)理解析[J].物理教學(xué)探討，2012，30（3）：35-38.

[2]姜慶榮.巧妙突破豎直平面內(nèi)小球“恰好”做圓周運(yùn)動(dòng)的難點(diǎn)[J].物理教學(xué)探討，2014，32（6）：49-50.

[3]謝麗，李春密. 物理課程融入STEM教育理念的研究與實(shí)踐[J].物理教師，2017，38（10）：2-4.

（欄目編輯 羅琬華）