踐行STEM教育理念提升物理核心素養(yǎng)

居殿兵　湯杰

摘要：在STEM教育理念指導(dǎo)下，改造家用垃圾桶，解決兩個(gè)方面的問題：一是廚房垃圾桶換垃圾袋麻煩，泔水殘留在垃圾桶內(nèi)，易滋生細(xì)菌；二是衛(wèi)生間垃圾桶因要帶蓋密封異味，人坐在坐便器上不方便邊打開蓋子邊丟衛(wèi)生紙.借鑒家用不粘鍋、電飯煲收納蒸汽水、銀行門自動(dòng)開閉、自動(dòng)圓珠筆等工作原理來一步步改進(jìn)家用垃圾桶，解決實(shí)際存在的問題，在探究、學(xué)習(xí)、討論、思考、制作中提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：STEM教育；物理核心素養(yǎng)；垃圾桶改造

基金項(xiàng)目：江蘇省十三五規(guī)劃課題“基于提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)法的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號D/2016/02/349）；江蘇省教研課題第十一期課題“依托物理課程基地發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：2015JK11-L175）.

作者簡介：居殿兵（1969-），男，江蘇高郵人，本科，學(xué)士，中學(xué)高級教師，研究方向：尖子生培養(yǎng)，奧賽指導(dǎo)；

湯杰（1991-）男，江蘇淮安人，本科，學(xué)士，中學(xué)二級教師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

1何為STEM教育

STEM是科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫.STEM教育是科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目鐚W(xué)科教育理念，起源于美國.1986年，美國國家科學(xué)委員會(huì)（National Science Board，NSB）發(fā)表《尼爾報(bào)告》，該報(bào)告是美國STEM教育集成戰(zhàn)略的里程碑.報(bào)告中提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)集成（SMET集成）”的綱領(lǐng)性建議，被世界教育界視為提倡STEM教育的開端.

當(dāng)今教育的社會(huì)價(jià)值在于培養(yǎng)孩子如何適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)和應(yīng)對未來生活變化的技能，教育目的、方式已然發(fā)生了根本的改變.將STEM教育融合于日常物理教學(xué)，有利于提升學(xué)生“學(xué)、用、做”綜合能力，提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)，踐行新課標(biāo)的基本理念，為學(xué)生終生發(fā)展奠定基礎(chǔ).

2垃圾桶改造問題的提出

在我們家庭中，垃圾桶是一件必不可少的東西，一個(gè)家庭少到1、2個(gè)，多的甚至8、9個(gè)，從廚房到客廳、臥室到衛(wèi)生間，到處都有它的身影.在家里有兩個(gè)地方的垃圾桶更引起我們的重視，一個(gè)是廚房，一個(gè)是衛(wèi)生間.廚房的垃圾桶因?yàn)楦鼡Q垃圾袋頻次高，麻煩，若泔水殘留在垃圾桶內(nèi)難清理，易滋生細(xì)菌.而衛(wèi)生間的垃圾桶一般都帶蓋，人坐在坐便器上不方便邊打開蓋子邊丟衛(wèi)生紙，而如果不帶蓋又會(huì)有異味.改進(jìn)這兩個(gè)地方的垃圾桶就必須解決以下問題：一是廚房的垃圾桶如何使更換垃圾袋變得方便？如何讓泔水不殘留在垃圾桶內(nèi)部，即使稍有殘留，也易清理？二是

衛(wèi)生間的垃圾桶如何讓桶蓋根據(jù)需要及時(shí)、方便打開與關(guān)閉.

3前期準(zhǔn)備

31廚房的垃圾桶

311學(xué)生觀察

讓學(xué)生觀察常見的垃圾桶款式，并能夠說出各款式垃圾桶所具有的功能或者優(yōu)點(diǎn).分析這些垃圾桶的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性.

312各抒己見

提出一個(gè)問題讓學(xué)生討論——如何使垃圾袋更換更方便.從垃圾袋距離垃圾桶的遠(yuǎn)近，操作是否復(fù)雜等角度來思考，給學(xué)生提供思考的方向.然后學(xué)生分組，以小組為單位，得出本組的討論結(jié)果.

313分析比較

比較各小組的結(jié)果，從可操作性來考慮，我們可以把垃圾袋就放在垃圾桶底部夾層內(nèi)，這樣就節(jié)約了到處找垃圾袋的時(shí)間.同時(shí)從面巾紙的抽取設(shè)計(jì)中得到啟發(fā)，通過拿走第一個(gè)垃圾袋來把下一個(gè)垃圾袋給帶上來，從而使垃圾袋更換變得更加方便容易.

314前沿材料介紹

本項(xiàng)目的另一個(gè)問題是如何讓垃圾桶不易殘留泔水，且便于清理.這樣，一些前沿材料可能會(huì)用到.可從淘寶上購買到該類材料（納米液體），價(jià)格也很便宜，20元左右就可以買到一瓶.同時(shí)給學(xué)生介紹一些現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用到疏油材料的例子，比如現(xiàn)在家里用的不粘鍋，如圖1所示，炒完菜，油質(zhì)沒有殘留在鍋內(nèi)，原因是鍋里涂了一層自清潔納米材料.另外，手機(jī)屏幕上也涂有疏油層，避免留下手指痕跡.同時(shí)，提供給學(xué)生關(guān)于自清潔納米材料的網(wǎng)絡(luò)鏈接，供學(xué)生自主上網(wǎng)查閱、學(xué)習(xí).

315難點(diǎn)攻克

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生不難聯(lián)想到，可以在垃圾桶內(nèi)壁也涂上一層這樣的納米材料，這樣就可以解決問題了.另外還要考慮，萬一廚房垃圾中有一些尖、硬的物體時(shí)，很有可能把垃圾袋給扎破，泔水會(huì)破袋而出，雖然不粘在桶壁上，但還是會(huì)殘留在垃圾桶底，甚至?xí)鞯较旅鏇]使用的垃圾袋上面去.怎么解決這個(gè)問題呢？學(xué)生想到能不能把泔水導(dǎo)出去.又出現(xiàn)了新的問題，導(dǎo)出的泔水會(huì)污染地面，怎么辦？學(xué)生會(huì)想到用東西接住.這時(shí)引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想家里的電飯煲，當(dāng)盛飯的時(shí)候，鍋蓋上的蒸汽水會(huì)流到一個(gè)收納容器中，如圖2所示，故垃圾桶也可以增加這樣一個(gè)裝置.

32衛(wèi)生間的垃圾桶

321確定改進(jìn)方向

請學(xué)生闡述衛(wèi)生間的垃圾桶一般需要具備哪些功能？并且說出現(xiàn)實(shí)生活中衛(wèi)生間的垃圾桶還有哪些不方便的地方，這將是我們的改造方向.最后確定改進(jìn)方向：一是衛(wèi)生間的垃圾桶細(xì)菌多，有異味，需要加蓋，且氣密性要好；二是打開桶蓋和丟衛(wèi)生紙一只手完成不了，對于一些下肢殘疾人士而言腳踩式垃圾桶更不合適.

322思考改進(jìn)方法

根據(jù)上述存在的問題，對垃圾桶進(jìn)行改進(jìn)，如何才能做到既可以用手又可以用腳將垃圾桶蓋打開？學(xué)生們會(huì)想到生活中常用的傳感器，比如，人走進(jìn)銀行門時(shí)，門自動(dòng)打開，手靠近公共洗手間水龍頭時(shí)水自動(dòng)流出.設(shè)計(jì)成手靠近傳感器桶蓋就打開，遠(yuǎn)離到一定距離桶蓋就關(guān)閉.分小組思考設(shè)計(jì)方案.

323評價(jià)設(shè)計(jì)方案

學(xué)生們普遍會(huì)想到運(yùn)用傳感器來設(shè)計(jì)這個(gè)方案，請學(xué)生分享他們的設(shè)計(jì)方案，比較各小組的方案.讓學(xué)生從實(shí)用、方便、經(jīng)濟(jì)、可操作方面對各自的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià).

324腳踩式垃圾桶模型探究

既然電子的行不通，就采用機(jī)械的，市面上就有腳踩式垃圾桶，腳踩式垃圾桶有它獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，通過腳踩來控制桶蓋的打開.讓學(xué)生分析腳踩式垃圾桶的工作原理，如圖3所示，建議學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn).

325聚焦關(guān)鍵點(diǎn)

選擇最原始的機(jī)械裝置，如何做到用手就可控制桶蓋的打開和關(guān)閉呢？要是有一個(gè)按鈕，一按桶蓋打開，再一按桶蓋關(guān)閉就好了.這個(gè)按鈕的位置應(yīng)該放在哪兒呢？學(xué)生不難想到，按鈕應(yīng)該放到圖3上A處，再用連桿壓下方的踏桿，從而控制桶蓋的打開.手一松，桶蓋又會(huì)落下來，一只手依舊沒法完成開蓋和丟衛(wèi)生紙的操作.有沒有一種方法可以控制桶蓋的關(guān)閉？想讓它什么時(shí)候關(guān)就什么時(shí)候關(guān)？問題就聚焦到這上面，如何解決？

326研究自動(dòng)圓珠筆工作原理，獲得設(shè)計(jì)靈感

讓學(xué)生研究自動(dòng)圓珠筆的工作原理，如圖4所示，通過按鈕上下按動(dòng)，可以控制筆芯向下的高度.對比此處的垃圾桶，在按鈕A處下方也裝上自動(dòng)圓珠筆這樣的裝置，按下按鈕，連桿向下的長度變長，從而控制桶蓋的打開.當(dāng)我們再按下按鈕，連桿向下的長度變短，桶蓋關(guān)閉.到此為止，控制桶蓋打開和關(guān)閉的問題就得到了解決.但是我們依舊要保留原來的腳踏結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛袝r(shí)候會(huì)遇到需要腳踩的情況，例如上肢殘疾人士就非常需要.

4設(shè)計(jì)與制作

41設(shè)計(jì)方案

411廚房垃圾桶設(shè)計(jì)方案如圖5所示.

412衛(wèi)生間垃圾桶設(shè)計(jì)方案（圖6）.

42制作作品

根據(jù)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行制作，受材料和工具的限制，我們通過模擬制作，用三合板、硬紙板代替塑料.在制作的過程中主要問題是尺寸的測量，一旦尺寸不符，在安裝過程中是很難完全吻合的.在學(xué)生安裝測試過程中，可能有以下兩個(gè)方面需要改進(jìn)：一是廚房垃圾桶，在提垃圾桶袋的時(shí)候可能把整個(gè)垃圾桶一起提起來；二是衛(wèi)生間垃圾桶，在腳踩踏板的時(shí)候，垃圾桶可能會(huì)不穩(wěn).

43作品優(yōu)化

對于廚房垃圾桶，可以在隔層中增加配重物，這樣就不會(huì)在提垃圾袋的同時(shí)將垃圾桶也一起提起來.

對于衛(wèi)生間垃圾桶，可以將底盤做的稍大一點(diǎn)，以增強(qiáng)垃圾桶的穩(wěn)定性.

5作品評價(jià)與展示

5.1作品評價(jià)

主要從實(shí)用、美觀、可操作性角度去評價(jià).分四個(gè)等級，分別是優(yōu)秀、良好、及格、不及格.

優(yōu)秀：造型美觀，有新意，能夠很流暢的發(fā)揮既定的功能，組裝時(shí)部件的契合度高，協(xié)調(diào)性強(qiáng).

良好：基本功能能夠發(fā)揮，外形漂亮，但部件間組裝時(shí)有較大縫隙，整體契合度不強(qiáng).

及格：基本功能可以發(fā)揮，但外形一般，部件間銜接粗糙，有較大縫隙，契合度差.

不及格：基本功能無法發(fā)揮.

5.2作品展示

在班級內(nèi)部評選，選出2-3件優(yōu)秀作品參加校級科技創(chuàng)新作品展.學(xué)生可在學(xué)校范圍內(nèi)進(jìn)行宣講，介紹自己的作品，全體學(xué)生不記名投票，選出最佳作品，頒發(fā)證書，并在學(xué)校宣傳欄和網(wǎng)站上公布.

6拓展與應(yīng)用

本設(shè)計(jì)方案是針對家庭里的垃圾桶，是否可以把該設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到其他環(huán)境和領(lǐng)域？哪些地方需要收納但是單手不便完成？比如商場的垃圾桶，快餐運(yùn)送包裝箱，殘疾人便利項(xiàng)目等，而且我們不需要拘泥于一定是垃圾桶、收納盒，甚至在我們上面設(shè)計(jì)中用到的一些材料、方法都可以進(jìn)行拓展.比如，自清潔納米材料，我們還可以用在生活中的哪些地方？餐桌可以嗎？墻壁可以嗎？再比如，按鈕式可控長度開關(guān)我們還可以用在哪些地方？可控升降座椅可以用到嗎？引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計(jì)的成果擴(kuò)大化，應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域中，方便我們的日常生活，在解決實(shí)際問題過程中，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，也即提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]韓敘虹.基于物理核心素養(yǎng)的STEM教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].中學(xué)物理，2018（3）：2-6.

[2]黃皓，王月.基于STEM教育的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理，2018（4）：29-31.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]https：//zhidao.baidu.com/question/436894268541221604.html