基于STEM理念的高中物理實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)*

洪華標(biāo)

(梅州市教學(xué)研究室 廣東 梅州 514021)

宋劉影 馮永慶

(梅縣東山中學(xué) 廣東 梅州 514017)

1 物理實(shí)驗(yàn)融入STEM教育理念的必要性

傳統(tǒng)教育把課程按不同學(xué)科劃分，其優(yōu)點(diǎn)是有利于知識(shí)的條理化、邏輯化，便于學(xué)生吸收掌握,其弊端是導(dǎo)致學(xué)科之間彼此孤立、相互分離，缺乏相互協(xié)調(diào)與橫向聯(lián)系，不利于對(duì)知識(shí)體系從整體上把握，割裂了教育和真實(shí)世界的有機(jī)聯(lián)系.這就導(dǎo)致學(xué)生在面對(duì)實(shí)際生活問題時(shí)無(wú)從下手，應(yīng)用單一學(xué)科知識(shí)無(wú)法解決實(shí)際問題，會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)無(wú)所用的錯(cuò)覺，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出要通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)[1].如何落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，筆者認(rèn)為基于STEM教育理念開發(fā)高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是可行之路.物理是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入STEM教育理念具有天然優(yōu)勢(shì).

STEM教育理念最早是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)提出的一種融合了科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)與數(shù)學(xué)(Mathematics)4門學(xué)科的跨學(xué)科教育理念，其宗旨是打破學(xué)科之間的隔閡，培養(yǎng)青少年的核心素養(yǎng)[2].STEM教育是在學(xué)習(xí)單一學(xué)科的理論基礎(chǔ)之上，進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，通過團(tuán)隊(duì)合作，解決實(shí)際問題，將學(xué)科知識(shí)與生活實(shí)際相結(jié)合的學(xué)習(xí)過程.STEM教育有助于破除分科教學(xué)帶來(lái)學(xué)科之間知識(shí)相互割離，缺乏系統(tǒng)性的弊端.有研究指出：“以作品開發(fā)為取向的STEM教育理念融入中學(xué)物理課堂教學(xué)，是對(duì)課堂中已有科學(xué)探究的補(bǔ)充，學(xué)生通過實(shí)踐，能更好地培養(yǎng)動(dòng)手能力，更好地培養(yǎng)綜合素質(zhì).”[3]筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)融合STEM教育理念對(duì)現(xiàn)有的高中物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改良、革新或創(chuàng)造，目前積累了一些經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)整理成文，以飧讀者.

2 高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)實(shí)踐

基于STEM教育理念的作品開發(fā)取向，近幾年筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)側(cè)重開發(fā)高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理課堂最為缺乏的工程教育和技術(shù)教育.結(jié)合當(dāng)前高中物理實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)現(xiàn)象顯著化、研究定量化、測(cè)量精準(zhǔn)化、開展生活化的發(fā)展趨勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了4套創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置.

2.1 楞次定律示教板 創(chuàng)新現(xiàn)象呈現(xiàn) 變細(xì)微為顯著

對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察的實(shí)驗(yàn)，通過改進(jìn)器材，或重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使細(xì)微的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯著化，便于學(xué)生觀察，從而改善教學(xué)效果.例如,目前人教版教材中探究楞次定律的演示實(shí)驗(yàn)，利用磁鐵插入和拔出線圈,通過觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向來(lái)確定感應(yīng)電流的方向，進(jìn)而來(lái)判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,從而分析得出楞次定律.上述實(shí)驗(yàn)存在以下兩個(gè)不足：(1)利用電流表的偏轉(zhuǎn)方向來(lái)判斷感應(yīng)電流方向既復(fù)雜又抽象；(2)磁鐵插入和拔出線圈時(shí)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但很快又會(huì)回?cái)[，會(huì)有學(xué)生混淆指針的擺向.為了解決以上不足，我們開發(fā)了楞次定律示教板[4]，如圖1所示.通過紅藍(lán)二極管的發(fā)光情況來(lái)展示感應(yīng)電流的方向.我們繞制了5 000 匝的大線圈，采用圓柱形釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵(比普通磁鐵強(qiáng)10倍左右)；紅、藍(lán)2個(gè) 二極管LED燈分別焊在鋁塑板上，如圖所示連接電路，利用二極管的單向?qū)щ娦?，在LED 燈并聯(lián)反接的實(shí)驗(yàn)電路中，每次磁鐵插入和拔出線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流只能使其中一只二極管發(fā)光，根據(jù)二極管發(fā)光顏色判斷感應(yīng)電流的方向，進(jìn)而判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，最終歸納總結(jié)得出楞次定律.當(dāng)強(qiáng)磁鐵插入和拔出線圈時(shí)，紅、藍(lán)色二極管發(fā)光亮度高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能較好地引起學(xué)生興趣，演示效果好.

圖1 楞次定律示教板

2.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x 創(chuàng)新研究方向 變定性為定量

圖2 電流杠桿天平

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度表

該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處在于：在電流杠桿天平上可直觀讀出線圈所受安培力的大小，在磁感應(yīng)強(qiáng)度表上可直觀顯示線圈所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，實(shí)現(xiàn)了定量研究的目的.用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象清楚直觀，結(jié)果準(zhǔn)確度高，能有效加深學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)、安培力、力矩平衡等知識(shí)的理解.

2.3 重力加速度測(cè)量?jī)x 創(chuàng)新測(cè)量手段 變粗糙為精準(zhǔn)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在中學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的深入推廣，相較于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，數(shù)字化技術(shù)下的實(shí)驗(yàn)研究與創(chuàng)新有其獨(dú)特的優(yōu)越性.探索實(shí)驗(yàn)精確化條件并加以有效控制，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)朝著需要的方向發(fā)展，是高中物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的重要方向.

例如,我們開發(fā)的重力加速度測(cè)量?jī)x測(cè)量本地的重力加速度，如圖4所示. 為精確地采集和處理數(shù)據(jù)，我們采用Tracker軟件追蹤小球自由下落的軌跡，通過軟件擬合小球自由下落的位移時(shí)間圖像，分析曲線方程得出小球下落的加速度.為方便Tracker軟件快捷的選定標(biāo)尺，需要制作實(shí)驗(yàn)背景板，規(guī)格50 cm×80 cm.由于小球的顏色是黑色，為加大落體小球和背景的色差，背景板的顏色選擇白色.在背景板上按1∶1比例將米尺畫在背景板中央，尺子的顏色采用亮黃色，同時(shí)制作了支架，既可以固定背景板，又可以方便移動(dòng).

圖4 落體儀

為遙控小球的自由下落，在落體支架的頂端固定了規(guī)格為吸力3 kg，工作電壓為DC6 V的電磁鐵，并將該電磁鐵與單片機(jī)中的紅外接收端口焊接在一起，用充電寶給單片機(jī)供電.通過使用單片機(jī)的紅外遙控功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)小球自由下落的遠(yuǎn)距離控制，提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性、可重復(fù)性以及便捷性[6].實(shí)驗(yàn)采用Tracker視頻分析軟件對(duì)小球下落中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和擬合，得到圖5所示的曲線，其擬合方程為y=4.898t2+0.378t+0.004 025，方程中t2的系數(shù)表示重力加速度的一半，由此得出小球下落時(shí)加速度為9.796 m/s2.本地地處北緯24.19°，東經(jīng)116.07°，將ψ=24.19°代入重力加速度理論公式(1979年修訂公式)得：g=9.780 3(1+0.005 302 4

sin2ψ-0.000 005sin22ψ) m/s2，得到本地重力加速度理論值為9.789 m/s2，實(shí)驗(yàn)值與理論值誤差不到1‰ .

2.4 電磁感應(yīng)演示平臺(tái) 創(chuàng)新器材選取 變物品為器材

新課標(biāo)指出教師要利用日常用品改進(jìn)實(shí)驗(yàn)或者開發(fā)新實(shí)驗(yàn)[1].教師要有意識(shí)地對(duì)生活物品進(jìn)行合理收集、巧妙選擇、制作加工并加以應(yīng)用，使之成為實(shí)驗(yàn)器材，讓物理實(shí)驗(yàn)的開展生活化，使學(xué)生有更多動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，以更好地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新能力.物理實(shí)驗(yàn)生活化具有趣聞性強(qiáng)、取材容易、成本低廉、制作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，是一種最直接的創(chuàng)新活動(dòng)，非常適合學(xué)生創(chuàng)新精神和動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng).

例如,研究團(tuán)隊(duì)利用生活中常見的電磁爐開發(fā)電磁感應(yīng)演示平臺(tái)，選用的物品主要有：家用電磁爐一臺(tái)、自制線圈、條形磁鐵、小磁針、發(fā)光二極管、教學(xué)用多用電表一個(gè)(可測(cè)電流、微電流、電壓)、平底鍋、易拉罐等.電磁爐接通電源后，高頻交變電源通過陶瓷板下方的扁平螺旋狀的環(huán)形線圈形成高頻交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)作用于線圈便能在線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì).

利用電磁爐的勵(lì)磁線圈能產(chǎn)生交變磁場(chǎng)這一特性做物理實(shí)驗(yàn)，不僅取材方便，而且能探究很多的實(shí)驗(yàn)問題，我們可以指導(dǎo)學(xué)生完成如下任務(wù)：(1)繞制線圈，實(shí)現(xiàn)磁生電，如圖6所示；(2)設(shè)計(jì)方案，探究通電線圈對(duì)小磁針的作用力方向和磁鐵方向的關(guān)系；(3)繞制匝數(shù)不同的線圈組，探究電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈匝數(shù)的關(guān)系，如圖7所示；(4)設(shè)計(jì)方案，探究通電線圈對(duì)磁鐵的作用力大小和電流大小的關(guān)系；(5)設(shè)計(jì)方案，研究電磁阻尼、電磁炮模型……

圖6 磁生電 圖7 探究電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)關(guān)系

這些有趣的創(chuàng)新探究實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地培養(yǎng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí).

以上是研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的4個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，STEM要素融合情況如表1所示.

表1 STEM要素融合一覽表

3 結(jié)束語(yǔ)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師結(jié)合不同學(xué)情，指導(dǎo)學(xué)生不同程度地參與基于STEM教育理念的高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)過程，并用之完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，將有助于培養(yǎng)學(xué)生的主體參與意識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，有助于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，值得廣大同行借鑒.