基于STEM教育模式的高中物理教学设计
——以“生活中的圆周运动”为例

段 炼 张 静

(长江大学物理与光电工程学院物理教育研究所,湖北 荆州 434023)

1 “STEM教育模式”简介

STEM教育源于美国,目前,人们普遍接受的定义是Rider-Bertrand在2007年提出的“STEM教育是有目的地整合各学科的教学和学习方法,学生将从中发现并获得能在学术和现实背景中可以运用的概念、能力以及科学、技术、工程和数学思维等,以提高在21世纪的全球竞争力”．[1]STEM教育不仅仅是科学、技术、工程和数学的简单组合,而是将4门学科相互贯穿、融合．摩尔和史密斯(Moore &Smith,2014)在其研究中提出了STEM教育的两种整合模式:一是情境整合(Context integration),意在将工程设计当作科学和数学教学中的学习情境和动力要素．其中工程设计并不是学习目标,而是一种教学方法,用以加强学生对知识的联结和掌握;二是内容整合(Content integration),重在将工程设计看作学习目标之一,将相关工程知识与科学和数学知识进行整合．[2]

就物理学科而言,其本身就与技术和工程有潜在的联系,[3]我国《普通物理课程标准》中,虽然没有将工程技能作为教学目标,但情境整合可以作为中学物理教学中开展STEM教育的主要参考模式．学生通过教师创设的物理情境,经历理论回顾、问题分析、方案设计、模型制作以及改进应用等步骤,逐步学会运用物理学知识解决实际的工程技术问题．

2 “生活中的圆周运动”设计案例

以人教版高中物理必修2第5章“生活中的圆周运动”为例,展示基于STEM教育模式的高中物理教学设计．

2.1 情境引入,设置问题

播放视频： 教师播放胶济铁路脱轨事故新闻,通过新闻案例,创设物理情境,引导学生思考为何火车超速会引起脱轨．

设计意图:利用真实的新闻案例,给学生强烈的视觉冲击,激发研究兴趣．

2.2 知识讲解,理清思路

演示实验1： 教师演示水流星实验,即提着水桶使其在竖直平面内做圆周运动．学生观察桶内水的运动状态．教师提问:水为什么没有洒出来?

图1

受力分析： 教师带领学生以桶运动至最高点为例进行受力分析(如图1),引导学生得出重力,桶底的弹力提供了向心力,且重力全部提供了向心力,因此水未洒出．教师追问:如果减慢环绕速度,实验能否成功?

演示实验2： 教师减慢速度环绕水桶,环绕过程中水洒出．教师提问:为何速度减慢,水会洒出来?

教师提问:根据这一思路,能否解决火车脱轨问题?

设计意图:注重学生的前认知,引导学生在前认知基础上进行深层加工．通过分析生活中的物理情景和两次实验现象,对向心力概念、公式进行回顾,强化其科学基础(S),再将公式与实际问题相结合,帮助学生理清解决圆周运动问题的基本思路,即① 找到向心力的来源即提供量; ② 计算向心力的需求量; ③ 根据提供量、需求量的关系判定能否做圆周运动．若不能,判断哪一方出现问题,以此为切入点展开分析．

2.3 分析问题,协同设计

展开推测： 学生运用上述思路推测，火车脱轨的根本原因是向心力的供求关系失衡．此时教师提问:铁轨是如何作用于火车的?并向学生展示实际铁轨和火车车轮接触位置的细节图(如图2)．

演示实验3： 教师演示改造过车轮的四驱车经过带有护圈(用纸条黏贴而成)的水平弯道,以重现脱轨事故(如图3)．实验中小车冲出了轨道且冲破护圈(如图4)．证明小车对铁轨有向外的作用力．此时学生根据牛顿第三定律,可得知铁轨对四驱车有向内的压力(如图5),该力即为火车转弯时向心力的来源．

图2图3

图4图5

图6

提出工程问题： 教师展示实际铁轨的铺设状况(如图6),让学生看到铁轨仅通过道钉固定在石墩上,并不能承受太大的压力,即这样的铁轨存在安全隐患．此时教师提问:若你是工程师,该如何设计铁路轨道来消除脱轨隐患?

提出猜想： 教师引导学生思考，既然轨道对轮缘的压力不能提供足够的向心力,是否可以通过改造铁轨,使其他力帮助提供向心力．

理论推断： 教师引导学生认识到，在火车前进转弯时,重力的方向不可改变,牵引力、阻力的方向时刻与火车前进的方向相同或相反,因此只有支持力的方向可以改变．此时提出问题:如何改变支持力的方向?

提出方案： 学生提出通过抬高外侧铁轨,使支持力向内倾斜．

实施方案： 教师邀请学生上讲台,按照上述方案,将教师的实验器材稍加改进,并再次实验(如图7)．实验中四驱车以同样速度经过轨道,不再脱轨．

理论分析： 教师引导学生对火车进行受力分析,当轨道倾斜后,重力和支持力的合力共同提供了向心力,弥补了向心力来源上的不足,因此火车安全通过弯道(如图8)．

图7图8

设计意图:以实物图片和事故重现的方式,帮助学生自主找到火车转弯时向心力的来源,为学生继续研究问题建立自信；引导学生从工程师的角度,对比理论分析和实际情况,并逐步将学生引导至对轨道铺设这一工程问题(E)的思考角度,找到解决问题的办法,将物理概念与工程技术充分结合,使学生对向心力的概念和公式能有更加深入的理解．

2.4 制作模型,验证方案

图9

制作模型： 学生根据实验方案,并利用准备好的实验材料分小组制作模型(如图9),让小车经过制作的弯道,观察是否发生脱轨．

设计意图:让学生真正动手操作,将自己设计的方案通过模型得以实现和证明,体验STEM教育模式的乐趣,强化概念,同时,学生在制作过程中可能会暴露出即使垫高轨道也会脱轨的问题,为下面数学推导阶段奠定基础．

2.5 数学推导,定量计算

总结提升： 教师总结各小组实验情况,并指出有的小组制作的轨道仍然会出现脱轨这一问题,从而提出，作为工程师,应定量考虑转弯速度与轨道倾角的数学关系,真正让学生从工程师的视角处理问题．

设置问题： 教师设置定量问题:设一列质量为100t的火车在倾角为30°,轨道半径为400m的弯道上行驶时,若铁轨不受侧向压力,则此时火车的速度为多大?

技术提升： 教师带领学生,利用几何画板这一软件技术(T),让学生将火车速度v,轨道倾角θ之间的动态关系图得以呈现(如图10)．

设计意图:工程问题离不开准确的计算,通过量化问题的设计,在应用软件技术(T)的同时,强化了学生数学计算能力(M),并定量地体会到轨道倾角与轨道能够承受的火车最大速度之间的关系,促进对知识的深层次理解．

图10

3 教学反思

相较于《普通高中物理课程标准》提出的三维目标,STEM教育模式则要求教师从更加整合化的科学、技术、工程和数学4个方面来综合制定教学目标,以问题驱动为导向,让学生经历理论回顾、问题分析、方案设计、模型制作以及改进应用等过程．在STEM教育模式应用过程中,实验材料的易用性,可获得性也尤为重要,正如文中所示,教师应尽量寻求学生身边的、熟知的材料加以改造和利用,并合理引导,方能最大限度培养学生动手解决工程技术问题的能力,充分发挥STEM教育模式的优势．

参考文献：

1 彭聪,王晶莹. 美国STEM教育实施策略的研究[J].首都师范大学学报, 2016, 37(3): 18-21.

2 T J Moore, K A Smith. Advancing the state of the art of STEM Integration[J]. Journal of STEM Education, 2014, 15(1): 5-10.

3 谢丽,李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师,2017,38(4): 2-4.