STEM教育項(xiàng)目下初中物理科技活動(dòng)實(shí)踐與思考

黃靈萬

【摘要】基于STEM教育項(xiàng)目下水火箭的制作與發(fā)射實(shí)踐活動(dòng)，從設(shè)計(jì)到實(shí)踐、從實(shí)踐到展示，闡述基于STEM教育理念，在初中物理科技活動(dòng)實(shí)踐過程中開展適合校情本項(xiàng)目實(shí)踐，使學(xué)生在參與項(xiàng)目的過程中，引導(dǎo)學(xué)生用可樂瓶制作簡(jiǎn)易的水火箭，進(jìn)行水火箭發(fā)射的實(shí)踐活動(dòng)，從而使STEM教育落地生根，真真正正地培養(yǎng)出創(chuàng)新人才。

【關(guān)鍵詞】STEM教育項(xiàng)目;初中物理;科技活動(dòng)

目前，STEM教育在粵西北地區(qū)發(fā)展處于剛起步階段，學(xué)校的STEM教育存在以下兩個(gè)問題：①缺乏專業(yè)的理論指導(dǎo)，對(duì)STEM 概念的理解不清、理論研究極度欠缺，無現(xiàn)成的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和具體的教材內(nèi)容，導(dǎo)致實(shí)踐中出現(xiàn)盲目照搬套用現(xiàn)象等。②缺乏有針對(duì)性的具體活動(dòng)項(xiàng)目支撐。目前的STEM教育活動(dòng)中，學(xué)生真正動(dòng)手動(dòng)腦的機(jī)會(huì)很少，學(xué)生的創(chuàng)新精神和動(dòng)手能力難以在實(shí)際活動(dòng)中得到真正的提升，STEM教育缺少有效的實(shí)踐操作支撐。因此，課題組研究團(tuán)隊(duì)的物理、信息技術(shù)、美術(shù)教師通過梳理本學(xué)科中的STEM教育素材，因地制宜地開展STEM項(xiàng)目科技實(shí)踐活動(dòng)。下面以“水火箭的制作與發(fā)射”實(shí)踐活動(dòng)為例，如何將提供一些數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)融入物理（科學(xué)）課堂的一些思路和有效的教學(xué)手段，闡述怎樣在物理教學(xué)中融合STEM教育，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

水火箭又稱氣壓式噴水火箭、水氣推進(jìn)火箭，是利用廢棄的碳酸飲料瓶制作成動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼的火箭。瓶內(nèi)注入一部分水，利用高壓打氣筒充入空氣到達(dá)一定的壓力后橡皮塞爆發(fā)，瓶內(nèi)水和氣迅速噴出，在反作用下發(fā)射升空，推動(dòng)箭體沖向空中。水火箭的制作與發(fā)射原本是初中物理學(xué)科STEM課程的一個(gè)經(jīng)典活動(dòng)，但是由于中考?jí)毫?，很少教師?huì)利用物理課指導(dǎo)學(xué)生制作發(fā)射水火箭。而水火箭的制作與發(fā)射包含了設(shè)計(jì)所需經(jīng)歷的全過程：提出問題、方案設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作、發(fā)射試驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為初中物理學(xué)科STEM課程實(shí)踐項(xiàng)目的一個(gè)不可多得的經(jīng)典案例。在設(shè)計(jì)的實(shí)施過程中，努力以培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生動(dòng)手參與制作，在制作中體驗(yàn)物理課本知識(shí)的應(yīng)用，把知識(shí)貫穿在操作過程中，讓學(xué)生學(xué)以致用。如，利用現(xiàn)有的物理知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行水火箭的制作，學(xué)生合作設(shè)計(jì)架構(gòu)、方案、裝配圖、尺寸大小，加強(qiáng)學(xué)生之間的分工和輔助制作，以提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)及交流能力。通過思維導(dǎo)圖流程的方式展示小組合作分工與環(huán)節(jié)對(duì)接，以提高制作與發(fā)射水火箭的效率。通過設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用文字或數(shù)據(jù)記錄，確保整個(gè)項(xiàng)目能按照原計(jì)劃順利完成。通過分析發(fā)射水火箭試驗(yàn)失敗的原因，引導(dǎo)學(xué)生提出新的問題，并進(jìn)行思考，通過優(yōu)化原有設(shè)計(jì)方案，及時(shí)解決現(xiàn)存的問題。培養(yǎng)學(xué)生有動(dòng)手能力，可以讓學(xué)生直觀了解導(dǎo)彈，運(yùn)載火箭的發(fā)射升空，回收的過程，使廣大青少年了解航天科技，熱愛航天科技，為國家航天事業(yè)培養(yǎng)、造就、輸送優(yōu)秀人才。

二、STEM項(xiàng)目的要素

從自然科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)等方面對(duì)水火箭的設(shè)計(jì)提出相對(duì)應(yīng)的水火箭原型。項(xiàng)目圍繞制作水火箭和發(fā)射，利用高壓打氣筒充入空氣到達(dá)一定的壓力后按啟動(dòng)，瓶內(nèi)水和氣迅速噴出，在反作用下發(fā)射升空，推動(dòng)箭體沖向空中。

S（科學(xué)）：在“水火箭制作”項(xiàng)目中，要求知道力是改變物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài);知道空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體具有阻力;通過探究感知空氣阻力的大小與面積、形狀、速度有關(guān);知道阻力能使物體減速;初步研究飛行中的水火箭沖擊速度和高度，同時(shí)，在發(fā)射過程中避免造成圍觀學(xué)生的創(chuàng)傷;初步理解水火箭安全下落;能運(yùn)用控制變量法對(duì)水火箭的面積、形狀、箭頭材料、箭長、箭重的選擇進(jìn)行研究。

M（數(shù)學(xué)）：能依據(jù)水火箭圖片資料運(yùn)用相似比估算箭頭大小;制作箭頭重量過，發(fā)射的角度。

T（技術(shù)）：能依據(jù)“放樣”技術(shù)，合理裁剪、拼接材料達(dá)到節(jié)約原材料的目的;能依據(jù)材料強(qiáng)度選擇合適的膠體粘瓶子技術(shù)，即能通過水火箭在上升過程不會(huì)脫落，更加牢固及防止纏繞;能仿制圓規(guī)原理畫較大的圓。

E（工程）：初步學(xué)習(xí)水火箭制圖技術(shù)，理解分工合作對(duì)于工程的意義，如，小組的領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)、資料的收集、材料的保管、討論和實(shí)驗(yàn)過程的記錄、工程的設(shè)計(jì)、工具的操作、產(chǎn)品的制作等。

三、STEM項(xiàng)目下活動(dòng)實(shí)踐過程

1.建立小組，強(qiáng)調(diào)分工合作，加強(qiáng)學(xué)生的協(xié)作能力

STEM教育理念十分重視小組合作，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在活動(dòng)中要相互溝通，相互幫助，共同努力，完成小組任務(wù);積極開展交流討論，針對(duì)存在的問題共同想辦法解決，分享收獲的喜悅。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)活動(dòng)方案的過程中，把全班40名學(xué)生，每組4人，分成10個(gè)小組，注重小組合作，以小組為單位開展的科技活動(dòng)，提高學(xué)生的交往能力和合作能力，讓他們能深刻感受到集體的力量。

2.聚焦問題，提出任務(wù)

講述并提問：從自然科學(xué)的角度提出水火箭升空需要什么樣的動(dòng)力條件？從技術(shù)角度出發(fā)提出水火箭的制作需要哪些材料？從工程的角度出發(fā)提出水火箭發(fā)射基座該如何設(shè)計(jì)、箭體形狀如何設(shè)計(jì)等問題。從數(shù)學(xué)角度可以提出計(jì)算得出水與空氣的比例達(dá)到最優(yōu)的解是多少？

3.動(dòng)手實(shí)踐，增加文字記錄，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)表達(dá)能力

學(xué)生在參與科技活動(dòng)中更喜歡動(dòng)手實(shí)操，而忽視了梳理活動(dòng)過程、記錄活動(dòng)要點(diǎn)與活動(dòng)心得，比如，繪制設(shè)計(jì)圖紙、記錄活動(dòng)數(shù)據(jù)、分析總結(jié)活動(dòng)難點(diǎn)等，更不用說用規(guī)范術(shù)語進(jìn)行記錄和表達(dá)了。為了提高學(xué)生的文字表達(dá)能力，幫助學(xué)生反思記錄活動(dòng)中的問題和要點(diǎn)，教師在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，應(yīng)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)習(xí)單等輔助材料引導(dǎo)學(xué)生注意文字材料的積累，在填寫技術(shù)報(bào)告中，注意科學(xué)表達(dá)。

（1）制作過程方法

依據(jù)原理圖設(shè)計(jì)并制作有特色、有創(chuàng)意的小組火箭模型，突出設(shè)計(jì)成分，增加外觀設(shè)計(jì)要求：符合“水火箭”項(xiàng)目基本要求，注重創(chuàng)新與創(chuàng)意，能體現(xiàn)火箭發(fā)展前瞻性，設(shè)計(jì)風(fēng)格鮮明，色彩搭配合理，工藝制作精美等。

①小組內(nèi)部有明確分工，每2人承包一項(xiàng)制作任務(wù)。

②取一個(gè)可樂瓶，去掉底部的一部分，留下上半錐體部分備用。

③再取一個(gè)可樂瓶，將備用的錐體套在其底部，用膠布粘牢。

④剪一個(gè)塑料墊板，制成圓錐體，套在備用的圓錐體瓶上，用膠布粘牢;取兩個(gè)可樂瓶，截取它們的中部，將它們壓平后剪出尾翼的形狀，將尾翼與瓶體粘牢，安裝要對(duì)稱、牢固。

⑥給小組火箭模型起一個(gè)有特色、有創(chuàng)意的名字。

（2）進(jìn)行實(shí)踐，水火箭制作與發(fā)射試驗(yàn)

①發(fā)射水火箭場(chǎng)地——學(xué)校操場(chǎng)

②將火箭裝在發(fā)射鐵架臺(tái)上，然后將氣筒和氣嘴接好，在保證絕對(duì)安全的情況下發(fā)射。

③盡量在無風(fēng)的情況下，分別向水火箭中注入水火箭容量的0，1/4、1/3、1/2、2/3、3/4。

④試驗(yàn)后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行記錄。對(duì)試飛結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，分析可優(yōu)化項(xiàng)目并進(jìn)行改正后回到階段。

⑤學(xué)生（有相機(jī)的帶相機(jī)），收集整理、反饋信息、資料。每小組發(fā)一份發(fā)射研討問題，要求小組成員在發(fā)射時(shí)從實(shí)踐中得出結(jié)論并安排專職組員做好記錄，以備模型改進(jìn)。

4.項(xiàng)目實(shí)施的收獲與反思

活動(dòng)項(xiàng)目結(jié)束時(shí)以小組為單位撰寫工程報(bào)告書，內(nèi)容包括：預(yù)期目標(biāo)、施工圖紙、技術(shù)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)感想、參與者任務(wù)等。如，讓學(xué)生撰寫科技小論文，讓學(xué)生完成水火箭的制作與發(fā)射的改進(jìn)設(shè)計(jì)（包括提出改進(jìn)點(diǎn)、改進(jìn)原理、制圖、預(yù)期等），結(jié)合學(xué)科對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)進(jìn)行融合及落實(shí)STEM項(xiàng)目的有益嘗試，使學(xué)生從調(diào)研、對(duì)比、設(shè)計(jì)、制作、合作、探究、交流、展示、分享等各個(gè)環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)生跨學(xué)科的綜合應(yīng)用能力，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

總之，在物理科技活動(dòng)中融入STEM項(xiàng)目式，重新燃起學(xué)生對(duì)科技活動(dòng)的熱情，激發(fā)了學(xué)生的參與興趣和探究欲望。讓學(xué)生體驗(yàn)整個(gè)設(shè)計(jì)制作過程，提高他們的動(dòng)手、動(dòng)腦能力和培養(yǎng)積極探索、勇于創(chuàng)新的精神。為了提高火箭發(fā)射高度，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高試驗(yàn)效果的科學(xué)工作方法，逐步提高學(xué)生的創(chuàng)造能力。通過開展物理科技活動(dòng)將有力地引領(lǐng)、推動(dòng)STEM教育實(shí)施，營造學(xué)校、社會(huì)、家庭高度重視的良好氛圍。

責(zé)任編輯? 梁國勝