基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)
——以“探究近視、遠(yuǎn)視的成因”為例

(湖北省武漢市楚才中學(xué),湖北 武漢 430051)

STEAM教育融合多學(xué)科,突破了傳統(tǒng)的以學(xué)科為主線(xiàn)的教育模式,可培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科實(shí)踐能力,受到我國(guó)及世界各國(guó)學(xué)者的普遍關(guān)注。STEAM教育的特征有：跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、實(shí)證性等，STEAM的理念符合我國(guó)物理課程改革要求與發(fā)展趨勢(shì),它不僅是對(duì)學(xué)科進(jìn)行整合性的教育,也是一種課程設(shè)置的趨勢(shì)，更是一種教學(xué)方式的革新。[1]在開(kāi)發(fā)STEAM課程時(shí),以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)者,學(xué)生通過(guò)小組合作探究的形式,綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題。在STEAM課程學(xué)習(xí)過(guò)程中能有效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

1 項(xiàng)目背景

由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室只購(gòu)置了一只變焦水透鏡,因此在“人眼怎樣看清遠(yuǎn)近不同的物體”和“近視、遠(yuǎn)視眼的成因與矯正”的教學(xué)中,通常借助演示和講授幫助學(xué)生理解，不能開(kāi)展分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)。自制變焦水透鏡對(duì)一般的物理教師來(lái)說(shuō)比較困難,而3D打印為自制教具提供了利器，變焦水透鏡這種并不復(fù)雜的教具也適合學(xué)生設(shè)計(jì)、制作。基于以上分析，筆者在教學(xué)中開(kāi)發(fā)了“用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作變焦水透鏡并探究近視、遠(yuǎn)視眼的成因”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 學(xué)情分析

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目活動(dòng)面向八年級(jí)“3D打印社團(tuán)”的學(xué)生,這些學(xué)生好奇心強(qiáng),喜歡動(dòng)手實(shí)踐。通過(guò)3D打印課程的學(xué)習(xí),學(xué)生已具備一定的3D建模能力,會(huì)獨(dú)立用“123D Design”軟件建模、打印簡(jiǎn)單的物品。他們學(xué)習(xí)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)、聲、熱、光等內(nèi)容,做過(guò)探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn),具備初步的實(shí)驗(yàn)探究能力。

3 項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)

S(科學(xué))：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，體會(huì)水凸透鏡厚度的變化對(duì)焦距及成像的影響；通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深理解凸透鏡成像的規(guī)律；通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，加深對(duì)近視、遠(yuǎn)視成因的理解。

T(技術(shù))：鞏固并熟練應(yīng)用3D建模軟件。

E(工程)：根據(jù)光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內(nèi)徑、橡皮筋寬度等確定變焦水透鏡的合理尺寸；操作3D打印機(jī)打印作品。

A(藝術(shù))：繪制實(shí)用美觀的設(shè)計(jì)草圖。

M(數(shù)學(xué))：測(cè)量光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內(nèi)徑、橡皮筋寬度等；在設(shè)計(jì)草圖上標(biāo)注尺寸，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)算工作。

4 項(xiàng)目實(shí)施與評(píng)價(jià)

4.1 實(shí)施準(zhǔn)備

所用材料、工具為：電源、平行光源、蠟燭、蠟燭座、打火機(jī)、光具座、光屏(帶鐵桿)、燒杯、水、注射器、橡皮管、橡皮筋、止水夾、透明彈力橡皮膜、刻度尺、3D打印機(jī)等。

4.2 實(shí)施過(guò)程

4.2.1 項(xiàng)目導(dǎo)入,收集信息,設(shè)計(jì)方案

(1) 項(xiàng)目導(dǎo)入

教師提出項(xiàng)目的任務(wù)要求：用常規(guī)方法制作變焦水透鏡比較麻煩,同學(xué)們已具備一定的3D建模能力,請(qǐng)大家設(shè)計(jì)制作一只變焦水透鏡,用來(lái)探究人眼看清遠(yuǎn)近不同物體的原理和近視、遠(yuǎn)視的成因,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,寫(xiě)一篇簡(jiǎn)短的學(xué)習(xí)心得。

(2) 收集信息

學(xué)生活動(dòng)3人一組,在網(wǎng)上查資料,了解變焦水透鏡的結(jié)構(gòu)、原理。

(3) 設(shè)計(jì)方案

教師指導(dǎo)：① 展示光具座等；② 提示需要測(cè)量光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內(nèi)徑、橡皮筋寬度等，要求學(xué)生根據(jù)光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內(nèi)徑、橡皮筋寬度等確定變焦水透鏡的合理尺寸,繪制美觀實(shí)用的設(shè)計(jì)草圖；③ 展示變焦水透鏡。

學(xué)生活動(dòng)：小組合作繪制設(shè)計(jì)草圖,標(biāo)注尺寸。

教師指導(dǎo)活動(dòng)：解答學(xué)生疑問(wèn),指出存在的問(wèn)題。

4.2.2 制作作品

(1) 3D建模并優(yōu)化

教師提供所需的其它器材為：彈性較好的透明橡皮膜、注射器、橡皮管等。學(xué)生3人一組,用“123D Design”軟件建模(圖1),發(fā)現(xiàn)有無(wú)問(wèn)題,提出改進(jìn)意見(jiàn),教師適時(shí)指導(dǎo)。

圖1

(2) 學(xué)生在課余時(shí)間完成3D產(chǎn)品打印，組裝變焦水透鏡(圖2),試驗(yàn)密封性。

圖2

4.2.3 實(shí)驗(yàn)探究

學(xué)生實(shí)驗(yàn)前復(fù)習(xí)凸透鏡成像規(guī)律、人眼看清遠(yuǎn)近不同物體的原理、近視和遠(yuǎn)視的成因及矯正。小組合作實(shí)驗(yàn)探究并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,撰寫(xiě)學(xué)習(xí)心得。

(1) 組裝實(shí)驗(yàn)裝置(圖3)。

圖3

(2) 用注射器向水透鏡中注入適量的水,用止水夾夾住橡皮管。調(diào)節(jié)光屏,光屏上的像清晰,測(cè)出水透鏡的焦距；用注射器從水透鏡中抽出一定量的水,水透鏡的焦距變_________；再注入適量的水,焦距變_________。

(3) 用蠟燭替換平行光源,距變焦水透鏡的距離大于_________,調(diào)節(jié)光屏,使光屏上燭焰的像清晰;當(dāng)蠟燭遠(yuǎn)離水透鏡,發(fā)現(xiàn)光屏上的像變_________,用注射器從水透鏡中慢慢地抽出一定量的水,像又清晰了,此時(shí)水透鏡的焦距變_________。

(4) 當(dāng)光屏上燭焰的像清晰時(shí)，將蠟燭靠近水透鏡,發(fā)現(xiàn)光屏上的像變_________,用注射器向水透鏡中慢慢地注入一定量的水,像又清晰了,水透鏡的焦距變_________。

(5) 用平行光源替換蠟燭,當(dāng)光屏上的像清晰時(shí),用注射器向水透鏡中再注入一定量的水,水透鏡變厚,用止水夾夾住橡皮管,晶狀體的曲度不變(不能變焦),模擬近視眼,發(fā)現(xiàn)光屏上的像變_________,像成在光屏_________方,當(dāng)光屏向_________方向移動(dòng)時(shí)像又清晰了。

(6) 用注射器從水透鏡中抽出一定量的水,比步驟(6)中注水前的厚度薄,用止水夾夾住橡皮管，晶狀體的曲度不變(不能變焦),模擬遠(yuǎn)視眼,發(fā)現(xiàn)光屏上的像變_________,像成在光屏_________方,當(dāng)光屏向_________方向移動(dòng)時(shí)像又清晰了。

(7) 近視、遠(yuǎn)視眼的調(diào)焦能力弱,人眼的視網(wǎng)膜(相當(dāng)于光屏)的位置也不能變化,我們可以給近視眼佩戴合適度數(shù)的_________進(jìn)行矯正;遠(yuǎn)視眼可以佩戴合適度數(shù)的_________進(jìn)行矯正。

4.3 項(xiàng)目評(píng)價(jià)

項(xiàng)目評(píng)價(jià)采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，評(píng)價(jià)主體為教師和學(xué)生，評(píng)價(jià)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)基于STEAM教育理念，學(xué)生在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)自身的實(shí)踐操作與思維活動(dòng)，將知識(shí)應(yīng)用與創(chuàng)新思維結(jié)合起來(lái)，經(jīng)歷從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的全過(guò)程，在此過(guò)程提升了核心素養(yǎng)。