基于STEAM理念的初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

李榮耀 丁聰 趙寧

摘 ? 要：文章以初中物理“杠桿”這節(jié)課為例，對(duì)近幾年被廣泛關(guān)注的STEAM教育理念怎樣應(yīng)用到物理課堂教學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。通過對(duì)杠桿基本概念、實(shí)驗(yàn)探究杠桿平衡條件以及吊車墜河的工程問題的解決，滲透STEAM教育理念，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEAM教育；杠桿；核心素養(yǎng)

STEAM教育最早于2009年由美國國家科學(xué)委員會(huì)提出，由此揭開了STEAM教育的序幕。STEAM即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Math）的簡稱。STEAM教育并不是一個(gè)全新的課程，而是作為一種新型的教育理念，來幫助一線教師在進(jìn)行學(xué)科教學(xué)時(shí)注重跨學(xué)科知識(shí)間的融合[ 1 ]。2022年4月義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[ 2 ]頒布，物理學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)中學(xué)生各方面能力提出了明確的要求，STEAM教育理念提倡幫助學(xué)生掌握如何運(yùn)用科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)來解決與技術(shù)、工程相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力[ 3 ]。同時(shí)STEAM教育中的科學(xué)、工程、技術(shù)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)與物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任高度重合。在STEAM教育理念的指導(dǎo)下，培養(yǎng)學(xué)生注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，善于獨(dú)立分析思考和解決問題的內(nèi)在能力[ 4 ]，為新時(shí)代下的國家培養(yǎng)全面均衡發(fā)展的創(chuàng)新型人才，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢(mèng)。

1 ?新課標(biāo)下STEAM教育理念的優(yōu)勢(shì)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在課程內(nèi)容上新增了跨學(xué)科實(shí)踐的一級(jí)主題，下面包含物理學(xué)與日常生活、物理學(xué)與工程實(shí)踐和物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展三個(gè)二級(jí)主題，是對(duì)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的繼承與發(fā)展，它強(qiáng)調(diào)關(guān)注社會(huì)生活中的物理工程問題，培養(yǎng)學(xué)生善于動(dòng)腦，勤于動(dòng)手的社會(huì)實(shí)踐能力。而STEAM教育理念的核心之一為打破學(xué)科限制，利用多學(xué)科知識(shí)解決生活中的工程實(shí)踐問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，這與新義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的跨學(xué)科實(shí)踐具有相似的目標(biāo)要求。因此，以新課程標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則，將STEAM教育理念融于物理教學(xué)之中，更有利于達(dá)到全方位培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

杠桿是初中物理一節(jié)非常典型的課，在日常生活中的應(yīng)用隨處可見，不管是剪刀，羊角錘這些基礎(chǔ)的生活用品，還是大型的機(jī)械設(shè)施和工程問題的解決，都有著杠桿的身影。因此以這節(jié)課為內(nèi)容，滲透STEAM教育理念。

2 ?學(xué)情分析

2.1 ?教材分析

“杠桿”這節(jié)課節(jié)選自新人教版八年級(jí)物理下冊(cè)第十二章第一節(jié)，屬于典型的科學(xué)探究課。本節(jié)課的前面是力學(xué)方面的內(nèi)容，后面為滑輪、機(jī)械效率等內(nèi)容。本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)、抽象的方法建立杠桿的概念，使學(xué)生對(duì)杠桿有初步的認(rèn)識(shí)，因此需要教師對(duì)本節(jié)課的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行謹(jǐn)慎的安排，既要將前面所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于此，還要為下一節(jié)滑輪的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

2.2 ?學(xué)生分析（圖1）

經(jīng)過半年物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生的邏輯思維能力發(fā)展較快，對(duì)物理也有了自己的認(rèn)識(shí)，但是能力的提升還存在不足。

3 ?教學(xué)流程圖（圖2）

4 ?STEAM課程資源

支架、細(xì)線、杠桿（具有刻度線）、鉤碼、彈簧測(cè)力計(jì)、多媒體課件等。

5 ?教學(xué)過程實(shí)施

5.1 ?創(chuàng)設(shè)情境 引入新課

教師PPT展示古代常用工具如：桿秤、桔槔等工具及其使用場(chǎng)景和建造長城運(yùn)石的工程問題，再過渡到現(xiàn)在日常生活所使用的剪刀，羊角錘，指甲刀等生活用具（如圖3）。

教師布置任務(wù)：拔釘子，夾水筆。

學(xué)生分別用羊角錘和手拔掉釘在泡沫板上的釘子；學(xué)生分別用手和鑷子將水筆放到文具盒里。仔細(xì)感受活動(dòng)中手部用力的大小，羊角錘和鑷子的運(yùn)動(dòng)方式。

師；羊角錘、鑷子發(fā)生了怎樣的運(yùn)動(dòng)？它們?cè)谑裁辞闆r下才能這樣運(yùn)動(dòng)？它們有什么相同之處？

生：在使用時(shí)這些簡單機(jī)械時(shí)，都需要繞一個(gè)固定的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，都受到兩個(gè)力，一個(gè)使其轉(zhuǎn)動(dòng)的力和一個(gè)阻礙它轉(zhuǎn)動(dòng)的力。

學(xué)生通過活動(dòng)，確立杠桿概念：在力的作用下能繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒，這根硬棒就是杠桿。

師：你還知道生活中哪些物品是基于杠桿制成的？

生：汽車方向盤，蹺蹺板，剪刀，天平，瓶起子等。

設(shè)計(jì)理念：以中國古代傳統(tǒng)文化引入新課，體現(xiàn)古人的智慧與美學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)中國傳統(tǒng)文化的熱情與品鑒能力，發(fā)展學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)。讓學(xué)生親身體驗(yàn)，由直觀的感性認(rèn)識(shí)慢慢向抽象的理性認(rèn)識(shí)過渡。通過層層遞進(jìn)的問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)杠桿運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，總結(jié)出杠桿的概念。培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心生活、熱愛生活，提高對(duì)生活的關(guān)注和對(duì)科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

5.2 ?工程問題引入 探究杠桿平衡條件

學(xué)生對(duì)杠桿有了初步認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)下，教師展示吊車前去營救落水汽車卻被汽車?yán)滤男侣剤D片（圖4）。

提出問題：假如你是這次救援任務(wù)的技術(shù)指導(dǎo)，前去參與營救落水車輛，新來的吊車要滿足什么條件呢？

學(xué)生討論，猜想，初步得出以下結(jié)論： 吊車要足夠重；吊車力足夠大；吊車的吊臂短一點(diǎn)。

師：同學(xué)們的回答都有道理，但是吊車到底要大多少？重多少？吊臂要多長呢？接下來咱們來一起探究。

5.2.1探究影響杠桿平衡的因素

本節(jié)課主要難在力臂概念的確立，實(shí)驗(yàn)探究杠桿的平衡條件是本節(jié)課的重點(diǎn)，在以往的教學(xué)過程中，對(duì)力臂概念確立教師多采用灌輸式的教育理念，在探究杠桿的平衡條件時(shí)，大多是直接引導(dǎo)學(xué)生探究杠桿平衡時(shí)力與力臂的數(shù)量關(guān)系，沒有經(jīng)過深入地剖析。因此本節(jié)以控制變量法科學(xué)探究影響杠桿平衡的因素，同時(shí)穿插力臂概念的分析教學(xué)，為下面得出杠桿的平衡條件打下基礎(chǔ)。

（1）如圖5，選定一個(gè)杠桿，調(diào)節(jié)平衡以后，在杠桿左側(cè)A點(diǎn)施加一豎直向下的力F，在杠桿右側(cè)B點(diǎn)用彈簧測(cè)力計(jì)施加一豎直向下的力F1，使杠桿平衡。在B點(diǎn)調(diào)節(jié)力的大小，發(fā)現(xiàn)當(dāng)力等于F1時(shí)，杠桿才會(huì)平衡，大于或小于F1時(shí)，杠桿不平衡。

師：通過上述實(shí)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)杠桿的平衡與什么有關(guān)？

生：力的大小。

（2）如圖6，在杠桿左側(cè)A點(diǎn)施加一固定力F，用彈簧測(cè)力計(jì)在杠桿右側(cè)施加一固定大小的力F2，調(diào)節(jié)施力點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)僅在C點(diǎn)時(shí)，杠桿才會(huì)平衡。

師：通過上述實(shí)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)杠桿的平衡與什么有關(guān)？

生：力的作用點(diǎn)（施力點(diǎn)）。

（3）如圖7，在杠桿左側(cè)A點(diǎn)施加一固定力F，用彈簧測(cè)力計(jì)在杠桿右側(cè)固定點(diǎn)D點(diǎn)施加一固定大小的力F3使杠桿平衡，保持力F3大小不變，改變F3的方向，發(fā)現(xiàn)杠桿不平衡。

師：通過上述實(shí)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)杠桿的平衡與什么有關(guān)？

生：力的方向。

師：通過以上三個(gè)小實(shí)驗(yàn)，我們知道杠桿的平衡與力的大小、力的作用點(diǎn)和力的方向有關(guān)。根據(jù)以往所學(xué)知識(shí)，我們可以通過彈簧測(cè)力計(jì)和刻度尺來測(cè)量力的大小和力的作用點(diǎn)位置，但是力的方向卻無法測(cè)量。我們能不能找到一個(gè)物理量將力的方向聯(lián)系起來便于我們測(cè)量呢？

學(xué)生通過閱讀教材和討論回答：力臂：從固定點(diǎn)到力作用線的距離。

師：是的，不管力的方向如何，力臂一定是垂直著力的作用線，這樣就能把力的方向確定下來。

教師展示木棍橇石頭（圖8）的真實(shí)場(chǎng)景，讓學(xué)生畫出力臂（圖9）。加深對(duì)力臂的理解，掌握力臂的畫法。

教師引導(dǎo)學(xué)生找出杠桿的五要素（表1，圖10）。

5.2.2探究實(shí)驗(yàn)：杠桿的平衡條件

（1）猜想

師：通過上面的探究，我們已經(jīng)知道了影響杠桿平衡的因素：力臂（動(dòng)力臂和阻力臂）和力（動(dòng)力和阻力）。

提出問題：杠桿的力與力臂之間到底存在著什么樣的關(guān)系？

學(xué)生猜想：F1×l1=F2×l2；F1/l1=F2/l2；F1+l1=F2+l2；F1-l1=F2-l2。

教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)猜想進(jìn)行篩選，力與力臂的單位不統(tǒng)一，不能加減，因此對(duì)F1×l1=F2×l2；F1/l1=F2/l2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

師：在上面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了力與力臂，要得出力與力臂關(guān)系，必須對(duì)力與力臂進(jìn)行測(cè)量。那么怎么去測(cè)量力與力臂呢？

學(xué)生討論。

教師啟發(fā)引導(dǎo)：

①力的測(cè)量：采用懸掛鉤碼的方式可以使力始終保持在一個(gè)方向，即豎直向下，而力的大小等于鉤碼重。

②力臂的測(cè)量：當(dāng)杠桿處于水平狀態(tài)時(shí)，杠桿與力互相垂直，因此力臂的大小可以直接在杠桿上讀取。

學(xué)生再討論具體實(shí)驗(yàn)步驟。

讓學(xué)生匯報(bào)，歸納出實(shí)驗(yàn)步驟：

①調(diào)節(jié)杠桿兩端的平衡螺母，使杠桿在水平位置保持平衡。

②把鉤碼掛在杠桿的兩邊，調(diào)整鉤碼的位置，改變鉤碼的重，使杠桿在水平位置重新平衡。支點(diǎn)兩邊的鉤碼重分別當(dāng)作動(dòng)力F1與 F2；鉤碼到杠桿中心的距離分別為l1和l2；記錄F1、F2、l1、l2等數(shù)值。

③多次改變力和力臂的數(shù)值，記錄結(jié)果。

（3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

教師巡回指導(dǎo)

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

學(xué)生收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填寫實(shí)驗(yàn)表格（表2），包括結(jié)論。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)F1/l1與F2/l2毫無關(guān)系，而F1×l1=F2×l2。

（5）交流與展示

各組學(xué)生互相展示自己的實(shí)驗(yàn)成果，確認(rèn)結(jié)論是否一致。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過工程問題引入，引導(dǎo)學(xué)生從定性探究影響杠桿平衡的因素到定量探究杠桿平衡的條件，使學(xué)生逐步地確定探究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)全面的科學(xué)探究精神。在探究的過程中加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的掌握與理解，從中滲透科學(xué)的素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的邏輯思維能力，找到杠桿的平衡條件：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的過程中，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究素養(yǎng)。

6 ?結(jié)合原理，解決問題

觀察落水過程 分析落水原因（圖11）。

教師通過慢放吊車落水視頻，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)吊車落水的特點(diǎn)。

師：吊車為什么會(huì)落水？

生：吊車失去了平衡。

師：吊車為什么失去平衡？是怎樣落水的？

生：杠桿太長，小汽車太重，把吊車后輪翹起來車翻落水。

師：同學(xué)們回答得不錯(cuò)，接下來我們對(duì)事故進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）慢放視頻，建構(gòu)吊車墜河過程模型，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)吊車失去平衡時(shí)，吊車前輪未動(dòng)，吊車后輪被翹起，從而確定吊車前輪為支點(diǎn)。

（2）吊車杠桿模型中動(dòng)力、阻力很容易找到，在確定支點(diǎn)以后，畫出吊車杠桿模型的力臂（圖12）。

（3）通過圖示，結(jié)合杠桿平衡條件，可知吊車墜河原因?yàn)镕1×l1＞F2×l2，吊車失去平衡，最終墜河。

師：同學(xué)們已經(jīng)知道了事故的原因，那么你作為技術(shù)指導(dǎo)，應(yīng)該怎樣去解決問題呢？

生：選擇更重的吊車讓F2更大：吊車吊臂的傾斜角度大一些使l1小一點(diǎn)。在施救過程中要滿足F1×l1＜F2×l2。

設(shè)計(jì)意圖：利用杠桿原理解決生活中的工程問題，融入工程素養(yǎng)，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中體驗(yàn)成功的喜悅，引導(dǎo)學(xué)生勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、分析和解決問題的能力和崇高的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

7 ?結(jié)束語

本節(jié)課的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了STEAM教育理念在初中物理課堂教學(xué)的簡單應(yīng)用，將科學(xué)、工程、技術(shù)、藝術(shù)與數(shù)學(xué)滲透于教學(xué)過程，意在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐能力，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情。通過生活中的實(shí)物體驗(yàn)建構(gòu)杠桿模型，樹立正確的物理觀念；在探究影響杠桿平衡因素的過程中建立力臂等概念，通過實(shí)驗(yàn)探究杠桿的平衡條件培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力；通過利用杠桿原理解決吊車墜河的工程問題培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，達(dá)到全方位培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

參考文獻(xiàn)：

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