STEAM理念下高中物理與技術(shù)學科有效融合的實踐研究

容蘭

摘要：STEAM教育是一種多學科相融合的綜合教學模式，力求培養(yǎng)綜合性、實踐性、創(chuàng)新性人才。目前，國內(nèi)外都在大力倡導(dǎo)STEAM教育。本文立足物理和技術(shù)學科，以教學案例“開發(fā)新能源小車”為例，探索如何在高中階段實現(xiàn)跨學科融合教學。

關(guān)鍵詞：STEAM理念 能量轉(zhuǎn)化 激光雕刻

一、問題與聚焦

當今社會，汽車的使用率逐漸增加，汽油消耗量日益增長，能源不足和環(huán)境污染問題也越來越嚴重，能源危機已成為全球共同關(guān)注的話題，越來越多的電動汽車、共享單車也應(yīng)運而生，高中生有親身體驗新能源汽車或單車的經(jīng)歷，因此，利用學生對新能源已有的認知，通過調(diào)查分析，將問題聚焦至模擬新能源汽車開發(fā)上，通過實驗探究讓學生了解常見能量收集的方式，通過激光雕刻制作出不同動力裝置的能量小車，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)提出改進方案同時進行項目的終極匯報和展示，通過新能源小車的項目開發(fā)和實施，讓學生在做中學，學中思，思中創(chuàng)。

二、探究與制作

（一）實驗探究：探究不同形式能量轉(zhuǎn)換電能的影響因素

實驗?zāi)康模禾骄刻柲?、風能、手搖發(fā)電機發(fā)電的發(fā)電原理與影響因素

實驗猜想：太陽能發(fā)電的影響因素：光照強度，光照角度，太陽能板轉(zhuǎn)換效率;風力發(fā)電的影響因素：風速，風量，磁感應(yīng)強度;手搖發(fā)電機發(fā)電的影響因素：轉(zhuǎn)動速度，磁感應(yīng)強度

實驗原理：太陽能發(fā)電是利用太陽能電池收到光照時，電池內(nèi)電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電壓和電流，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。風力發(fā)電是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機線圈轉(zhuǎn)動，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生電流，將風能轉(zhuǎn)換為電能。手搖發(fā)電機是通過手搖的方式使發(fā)電機內(nèi)線圈轉(zhuǎn)動切割磁感線，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)電流，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

實驗過程：

（1）將太陽能板放到陽光下，將萬用表調(diào)到電壓擋，用鱷魚夾線連接萬用表和太陽能電池板，觀察并記錄電壓表讀數(shù)。分別調(diào)整光照強度和光照角度，記錄電壓值。

（2）將電動機分別與風扇和電源相連，將交流發(fā)電機和另一個風扇和LED燈相連，接通電源使風扇轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生風力，從而使另一個風扇轉(zhuǎn)動起來。

學生進行風力發(fā)電實驗測試

（3）將手搖發(fā)電機與多用電表相連，多用電表調(diào)到電壓擋，轉(zhuǎn)動發(fā)電機手柄，觀察燈泡亮度和電壓表識數(shù)，改變轉(zhuǎn)速，觀察并記錄電壓表示數(shù)。

實驗數(shù)據(jù)：學生分組分別進行實驗探究，觀察記錄實驗數(shù)據(jù)

實驗結(jié)論：太陽能板轉(zhuǎn)化電能與光照強度，光照角度等有關(guān);風速和方向都會對風力發(fā)電產(chǎn)生影響;線圈轉(zhuǎn)動的快慢會影響手搖發(fā)電機發(fā)電。

實驗優(yōu)化：通過控制變量法研究更多因素對電能轉(zhuǎn)化的影響，采用更加精密的實驗儀器進行定量研究分析。

（二）小車制作：制作不同能源小車

任務(wù)一：設(shè)計方案制定

學生分為四組，每組制定一個設(shè)計方案，分別完成太陽能小車、風力小車、電動小車和彈力小車的具體開發(fā)。

任務(wù)二：繪制小車模型草圖

學生根據(jù)自己的設(shè)計方案，畫出小車結(jié)構(gòu)，計算小車各部件尺寸，并畫出草圖。

任務(wù)三：用激光雕刻機雕刻小車

學生根據(jù)已畫好的小車結(jié)構(gòu)草圖在軟件上精確繪制出組件小車所需要的零件圖，并用激光雕刻機雕刻小車模型。

任務(wù)四：制作不同能源的小車

學生組裝小車，并為小車加入不同的動力裝置，分析小車的能量轉(zhuǎn)化方式。

四個小組分別完成小車模型

三、驗證與優(yōu)化

學生完成能源小車組裝，并對小車的運行情況進行測試。通過測試后的數(shù)據(jù)，分析總結(jié)設(shè)計中的不足并進行改進。

學生對小車進行測試

四、展示與評價

（一）成果匯報

每一個小組代表進行項目成果匯報。從項目名稱，項目方案設(shè)計，項目實施，項目成果和改進，項目延伸等幾個方面向大家分享自己的項目。

（二）項目終極性評價

教師對整個項目進行總結(jié)，并對每一個學生項目進行評價，填寫評價單。

五、拓展與應(yīng)用

教師引導(dǎo)學生了解中國各種新能源發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)代新能源技術(shù)，進一步對自己設(shè)計的能源小車動力系統(tǒng)進行改進，比如對彈力小車的齒輪模塊利用3D技術(shù)進行打印，增強大小齒輪之間的咬合度，提升小車的運動速度，也可以對太陽能小車添加自動感光調(diào)節(jié)裝置及自動控制系統(tǒng)，并與電動車功能相結(jié)合，實現(xiàn)電能和太陽能的實時切換，增強小車的續(xù)航能力。

學生通過這個項目的學習，學會發(fā)現(xiàn)生活中的問題，進而提出解決問題的方案，并通過項目開發(fā)的方式來解決問題，同時教師引導(dǎo)學生將工程思維及項目研究的方法應(yīng)用到以后的項目學習中。

參考文獻：

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

[2]課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書·物理選修3-2·教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]余勝泉，胡翔.STEAM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（8）.

[4]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，2015，38（4）：2-4.