基于物理核心素養(yǎng)下的STEM教學(xué)設(shè)計

付天宇　張迪

摘 要：當今社會越來越重視培養(yǎng)綜合性人才，所以STEM教育得到了大家的關(guān)注.STEM教育是指科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育的統(tǒng)稱.在展示培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，依據(jù)STEM教育理念，以高中物理“水火箭”的制作為例，進行教學(xué)設(shè)計.

關(guān)鍵詞：STEM教育理念;水火箭;教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-4134（2019）19-0030中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

STEM教育理念是由美國國家科學(xué)基金會于20世紀90年代提出的，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的統(tǒng)稱，是將多門學(xué)科知識融會貫通的綜合性教育.現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)生認為初高中階段學(xué)習的科目沒有太大的意義，這是因為在日常的教學(xué)中，常常將不同的科目過度分裂、劃清界限.只注重本學(xué)科的知識內(nèi)容，而忽略其他學(xué)科與本學(xué)科的聯(lián)系.將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)相輔相成、融會貫通，致力于培養(yǎng)復(fù)合型人才.只有真正做到STEM教學(xué)實踐，才能使得學(xué)生實現(xiàn)更有意義的學(xué)習.

隨著2017版新課程目標的出爐，提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含四個方面：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責任.核心素養(yǎng)既是知識、方法和態(tài)度等方面的整體表現(xiàn)，又是知識、方法和態(tài)度等各個方面的融會貫通.標志著不僅要打造以“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”的課堂，還要更加注重學(xué)生的身心發(fā)展.為了使教學(xué)課堂更為高效，教師務(wù)必在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求下，完善現(xiàn)有的教學(xué)課堂.那么如何使得教學(xué)課堂更加高效呢？筆者認為，新課程標準中的這些理念和STEM教育理念是一致的.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)來開展STEM課堂教學(xué)，完善學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，加強學(xué)生動手實踐能力.筆者設(shè)計了如下體現(xiàn)STEM教育理念的物理教學(xué)模型，如圖1所示.

本文以“水火箭”為例，闡述“水火箭”的教學(xué)目標、設(shè)計思路、教學(xué)過程，展示如何將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融入物理課堂的具體流程，使學(xué)生充分發(fā)展科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

1 基于物理核心素養(yǎng)設(shè)定的教學(xué)目標

物理觀念：運用牛頓第三定律、動量守恒定律、能量守恒定律等物理知識分析水火箭運動原因，進而正確理解“反沖”定義.

科學(xué)思維：（1）通過探究水火箭獲得速度與哪些因素有關(guān)，鍛煉控制變量法的思維邏輯;（2）通過設(shè)計并制作水火箭培養(yǎng)動手操作能力，形成模型構(gòu)建思維;（3）通過探討水火箭制作過程中可能會出現(xiàn)的問題，發(fā)展科學(xué)推理探究思維.

科學(xué)探究：經(jīng)歷“探究水火箭升空原因以及飛行高度、速度與哪些因素有關(guān)”的探究過程，能運用控制變量法制定方案，能合理選擇實驗器材進行實驗，并獲得實驗數(shù)據(jù)，能正確處理實驗數(shù)據(jù)，最終獲得精準的實驗結(jié)果.

科學(xué)態(tài)度與責任：（1）通過自己動手操作實驗、制作水火箭得到對物理學(xué)科的自豪感與滿足感;（2）通過觀看神州火箭升空視頻，加強愛國主義情懷;（3）學(xué)會與他人交流合作;（4）發(fā)散思維，善于觀察生活，將生活中的廢品變廢為寶.

2 設(shè)計思路

本節(jié)STEM課程，以“如何制作水火箭”為主線問題，采用小組交流合作的學(xué)法，學(xué)生在設(shè)計實驗進行實驗探究的同時，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個方面滲透到實驗的各個角落.在科學(xué)層面上學(xué)生能夠自主設(shè)計方案，并且掌握動量守恒定律、能量守恒定律、力的平衡原理、壓強差的知識等，達到學(xué)以致用、活學(xué)活用的教學(xué)效果.在技術(shù)、工程層面上，如何讓水火箭發(fā)射的速度更大、發(fā)射的距離更遠、發(fā)射的高度更高？這些問題都需要在設(shè)計實驗、制作水火箭時注意，并得到解決.在數(shù)學(xué)層面上，運用秒表、尺子、量角器、秤等度量工具，用來計算水火箭的具體參數(shù).

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 學(xué)生分組

基于以上設(shè)計思路，可以將全班40名學(xué)生，每組4個人，共分成10組進行授課.

3.2 創(chuàng)設(shè)情景，提出任務(wù)

視頻引入：觀看神州火箭發(fā)射的視頻，聚焦問題，提出任務(wù).

講述并提問：為什么火箭能夠升空呢？

學(xué)生回答：依據(jù)動量守恒，噴氣前的火箭動量為零，噴氣后火箭和燃氣的總動量仍舊為零.還運用了反沖的原理.火箭是依靠噴氣流的反沖作用從而獲得巨大的速度.氣流給地面向下的力，地面反作用使得氣流產(chǎn)生向上的力，從而推動火箭升空.

設(shè)計意圖：通過視頻導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習興趣.觀看神州火箭發(fā)射升空的片段也會增強學(xué)生的愛國情感.

講述：首先由教師向?qū)W生展示已經(jīng)制作完成的水火箭（利用廢棄的飲料瓶制作成動力艙、箭體、箭頭、尾翼等），并且播放提前錄制好的水火箭發(fā)射視頻.將實物與視頻相結(jié)合，講解水火箭的原理：將動力艙中灌入適當質(zhì)量的水，利用打氣筒充入空氣超過臨界壓力值后發(fā)射.壓力空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速噴出，在反作用力下，火箭快速上升.

提出任務(wù)：請同學(xué)們利用8個不同形狀500ml的飲料瓶或礦泉水瓶、剪刀、單面刀片、木（皮、軟膠）塞、球類氣針、圓珠筆芯、氣門芯、訂書機、X光片、雙面膠、彩色裝飾紙等制作簡易水火箭.

經(jīng)過師生探討后，確定以下五個關(guān)鍵的問題：

（1）選擇哪種類型的瓶子作為水火箭的主體？

學(xué)生討論與交流，動手實驗后得到：水火箭的主體應(yīng)該選擇雪碧飲料瓶.因為雪碧飲料瓶的上半體是上下等截面的圓柱體，沒有過大的弧度，是較為理想的流線型.并且碳酸飲料的瓶體耐壓性比較好，比普通的礦泉水瓶的瓶壁稍厚一些.（提高技術(shù)、工程素養(yǎng)）

（2）如何保證噴嘴的密閉性？

學(xué)生討論與交流，動手實驗后得到：在制作過程當中，噴口的密封性是最為重要的，密封一定要好，否則將不能為水火箭提供良好的壓力，導(dǎo)致水火箭實驗失敗.即使氣針在木塞中，也要同時保證密不透水，所以可以用燒紅的針尖穿洞.（提高技術(shù)、工程素養(yǎng)）

（3）機翼的安裝是否有必要？

學(xué)生討論與交流，動手實驗后得到：機翼的安裝是十分有必要的，并且安裝的高度、四個機翼相對安裝的位置、是否對稱等問題都關(guān)系到水火箭本身能否保持直線運行.（提高科學(xué)素養(yǎng)）

（4）動力艙中水和空氣的比例應(yīng)該是多少？

學(xué)生討論與交流，動手實驗后得到：水火箭用水量不能過多也不能過少，因為水是“火箭”的燃料，燃料的多少關(guān)乎到水火箭能否正常運行.最佳用水量經(jīng)過多次試驗后發(fā)現(xiàn)應(yīng)為火箭容積的1/4～2/5之間.假如瓶中氣體過量，那么相應(yīng)的水的體積就一定會減小，氣體所具有的最大勢能就相對來說比較大.設(shè)水的質(zhì)量為m，水火箭的總質(zhì)量為M.規(guī)定向下為正方向，水噴射時速度為V1，水火箭發(fā)射時的初速度為V2.那么水的動量應(yīng)為mV1，水火箭獲得的動量為-MV2.根據(jù)牛頓第三定律可知水火箭受到反作用力的效果，水火箭被發(fā)射.根據(jù)動量守恒原理可知，mV1-MV2=0，由于水所占的體積較小，mM，所以V1V2，水火箭獲得的速度比較小，最終結(jié)果是制作的水火箭飛不遠.假如瓶內(nèi)氣體過少，則相應(yīng)水所占體積就會增大.瓶內(nèi)氣體所占體積小，所能供應(yīng)的能量本身就很少，又無法立即將瓶內(nèi)的水全部排除干凈，這樣水火箭將會帶著動力艙中剩余的水繼續(xù)飛行，因為水火箭本身的質(zhì)量加上動力艙中剩余的水質(zhì)量過大，最終結(jié)果也是制作的水火箭無法飛得很遠.（提高科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)素養(yǎng)）

（5）最佳的發(fā)射角度應(yīng)該是多少？

學(xué)生討論與交流，動手實驗后得到：水平方向飛行，因為空氣阻力的存在，發(fā)射的最佳角度應(yīng)在50～55度之間，這需要我們將發(fā)射臺的傾斜角度調(diào)整到最佳.不同的水火箭發(fā)射最佳角度可能不同，可以通過控制變量法進行實驗確定.豎直方向飛行則為90度.（提高技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)素養(yǎng)）

設(shè)計意圖：探討制作水火箭過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，對制作過程中出現(xiàn)的問題進行反復(fù)的質(zhì)疑討論最終得到解決方案，從而形成學(xué)生完整的邏輯思維，培養(yǎng)學(xué)生動手能力.

3.3 改進水火箭制作、進行小組比賽

最后在操場上各個小組利用制作完成的水火箭進行比賽，比一比哪一組的射程最遠？高度最高？再經(jīng)過上述五個問題的解決，對水火箭進一步完善：噴嘴的密閉性、機翼位置保持對稱、改變動力艙中水和空氣的比例關(guān)系、調(diào)整發(fā)射角度等.

設(shè)計意圖：通過比賽的方式激發(fā)學(xué)生的求知心，達到寓教于樂、活學(xué)活用的教學(xué)效果.比賽結(jié)果不僅僅代表水火箭的的射程、高度，更代表的是學(xué)生對于知識的掌握以及應(yīng)用情況.在教學(xué)中不要局限于課堂中的實驗，也要將眼光放得長遠些，給予學(xué)生更多的發(fā)揮空間，將物理學(xué)科與其他學(xué)科進行有機融合.

4 教學(xué)總結(jié)與反思

S（科學(xué)）：制作水火箭中涉及的科學(xué)原理為：動量守恒、能量守恒、力的平衡、壓強差、空氣阻力等.

T（技術(shù)）：選擇哪種瓶子作為水火箭的本體？本體與動力艙應(yīng)該怎樣固定？機翼的安裝位置應(yīng)該注意什么？怎樣保證噴嘴的密閉性？動力艙中水和空氣的比例應(yīng)該是多少？發(fā)射角度范圍是多少？制作的過程中用到哪些工具？先做哪一步？再做哪一步？對以上問題的思考都能夠培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng).

E（工程）：學(xué)生經(jīng)歷懂得原理—明確目標—理清思路—提出質(zhì)疑—驗證猜想—設(shè)計實驗—動手操作—分析結(jié)果—得出結(jié)論完整的實驗過程，這些步驟都體現(xiàn)了工程學(xué)的特點，從而培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng).

M（數(shù)學(xué)）：學(xué)生通過動量守恒定律的計算分析得出水火箭最佳配重比，切身體驗水火箭的發(fā)射距離以及高度，靈活運用數(shù)學(xué)計算、測量工具培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng).

通過本節(jié)課，我們可以看到STEM教育理念在激發(fā)學(xué)生動手能力等方面有極大的效果，將STEM的教學(xué)理念滲透到每一處教學(xué)實踐中.制作水火箭的過程中，不僅給學(xué)生更大的想象空間也給學(xué)生更大的制作發(fā)揮空間，激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣以及熱愛.水火箭發(fā)射的一瞬間代表了知識的升華，由間接經(jīng)驗過度為直接經(jīng)驗，由理性認識轉(zhuǎn)變?yōu)楦行哉J識.將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個方面融為一體，合理地將當下課堂進行變革.本次教學(xué)設(shè)計因受內(nèi)容難度、課堂時間、場地限制等影響仍有待提升.

參考文獻：

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

[2]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[3]王玥月，陸建隆.凸顯STEM教育的初中物理教學(xué)設(shè)計初探 ——以“浮力”教學(xué)為例[J].物理教師，2017，38（2）：41-43.

（收稿日期：2019-07-05）