基于STEM教育的中职物理实验教学设计

桑蕊蕊 张皓晶 张雄 李肖 王碧鸿 冯奎

[摘 要]职业技术教育是为了培养专业型技术人才，对学生的实践工作技能有较高的要求。因此，职业教育中物理实验的教学不同于普通高等教育。文章通过聚焦职业教育的性质，提出一种更适合中职学校采用的物理实验教学方法，从而实现科学探究和工程设计的整合，提高学生STEM素养的同时，为学生学习后续专业课做强有力的铺垫。

[关键词]职业技术教育；物理实验；工程设计；STEM

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）29-0039-03

物理学是一门自然科学，也是一门带有方法论性质的学科。职业技术教育学校开设物理课程的目的不仅是为了普及物质的基本结构、物体的运动规律以及力的相互作用等基本物理常识，还要求训练学生解决问题的物理能力，以期为学生的专业课程学习服务。只有促进物理实验教学与工程技术的有机结合，才能提高职教的教学质量，培养能够满足学生自身发展需要以及适应社会需要的终身发展的能力，提高学生解决各种复杂问题的能力，实现学生专业技能的全面提升。

根据STEM（科学、技术、工程、数学）素养要求，设计职教教学方法，以期实现中职教育中物理实验教学与工程技术的有效衔接。首先，职业教育要实现物理实验教学与工程技术的有效链接，教师在教学时，就应当加强学科概念教学[1]。其次，教师要学会设计教学情境，根据学生专业侧重点，探寻相关原始物理问题，将物理与专业相结合。将实验中遇到的物理问题作为课堂实例进行研究探讨，从而达到提高学生物理学习兴趣的目的[2]。同时教师要结合核心概念带领学生进行科学探究；再次，教师要加强对学生数学知识的教授，提高学生的数学计算能力，引导学生用数学知识解决实际问题。最后，依据中职学生的发展方向以及专业要求，使其对物理实验的科学探究最终指向社会实践，因此要求教师引导学生在课堂上完成从科学探究到工程设计的跨越。通过物理教学与工程技术的有效衔接，使学生能够应用知识与技能解决实际问题，促进其知识、技能和经验之间产生关联，并进行有意义的社会建构，从而获得社会性成长[3]。

一、“光的折射”工程设计

中职物理学教材中，以“光的折射”课题为例，其测量液体折射率的实验设计一般集中在对阿贝折射仪、牛顿环等实验仪器的使用上，然而学生却很难掌握这些测量仪器的使用方法以及实验原理，而且有些学校缺少相应的实验资源。笔者根据STEM素养要求，对传统教学进行改进：首先详细解释液体折射率的定义；其次融合原始物理问题，结合核心概念进行科学探究；进而利用坐标纸、细竹签、细直铁丝等器材实施低成本工程设计。

1.核心概念

核心概念的作用在于从不同学科视角审视某一主题或问题时，能使思考者的思维超出学科局限，促使其思维达到整合的水平，促进其对相关知识问题的深层次理解，同时顾及知识迁移。在测量液体的折射率这一工程主题下，深入理解折射率的核心概念是工程设计的关键。折射率是量度光在介质中传播速度的物理量（[n=cv]），折射率越小，光在介质中的传播速度就越快。当光从一种介质（介质1）斜射到它与另一种介质（介质2）的分界面时，传播方向发生改变，一部分光会返回到介质1中，另一部分光则会进入介质2中，并且使光线在两种介质的交界处发生偏折，从而改变光源的视觉位置，进入到介质2中的光产生的光现象称为光的折射。折射率最早出现在光的折射定律（斯涅尔定律）中：入射角[θ1]的正弦与介质1的折射率[n1]的乘积等于折射角[θ2]的正弦与介质2的折射率[n2]的乘积（[n1sinθ1=n2sinθ2]）。因此，光从真空斜射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比即为这种介质的折射率（[n=sinθ1sinθ2]）。液体的折射率在鉴别液体的种类、浓度、温度等方面具有重要的现实意义。根据“基于液体浓度光学测量的实验研究”可知：液体的浓度随液体折射率的增大而增大[5]。在相同的光照情况下，光从空气照射到相同溶质不同浓度的液体中，液体的折射率越大，则液体的浓度越大，液体对光的吸收率越高，温度升高越快（比尔定律：[A=kc]，[A]表示溶液的吸光度、[k]为比例常数、[c]为液体浓度）。

2.科学探究

盐梯度太阳池作为一种太阳能热利用系统，池内盐水溶液的浓度分布对其热效率的利用研究有重要的意义。一般用比重法测量溶液的浓度，而这种测量方法对太阳池的扰动较大，且测量不方便。但随着溶液浓度的变化，溶液的折射率也会发生相应的变化。因此，可以通过测量溶液的折射率推测太阳池中盐溶液的浓度变化。抽取真实情景中的原始物理问题，使学生在真实世界中利用知识和技能解决问题。围绕提出的问题进行科学实验探究，促进学生对折射率等核心物理概念的持久理解。

根据测量结果作散点图，由散点图可以明显发现盐溶液浓度与其折射率近似成线性关系（如图6所示）。运用SPSS软件对盐溶液的浓度和折射率之间的关系进行回归分析，得到盐溶液浓度与其折射率关系的经验公式为：[y=505.209x-674.299]（[x]为溶液折射率，[y]为盐溶液浓度）。为了验证工程设计方案的可操作性，配置浓度为10.6%的盐溶液，通过实验仪器测得其折射率为1.357，从而根据以上经验公式计算得到的盐溶液浓度为11.0%。计算结果与预期结果的相对误差为3.8%。结果较满意，说明工程设计方案的可行性。

二、总结

职业教育旨在为社会培养应用型人才，因此中职物理教学不仅要让学生掌握基本的物理知识，更要求培养学生的物理思维，并服务于专业课程学习。“光的折射”工程设计通过将测量太阳池中盐溶液浓度变化的原始物理问题，转化为测量液体折射率的现实问题探究，促使学生将所学物理知识与真实情景问题相结合，从而促进知识和经验的有意义关联，促进物理实验教学与工程技术的有效衔接。假设STEM对社会经济发展具有重要意义，学生就应当在STEM情景中学会工程和技术，并且练习与设计相关的技能[9]。从科学探究到工程设计的跨越，着重培养学生的工程性思维，不仅有利于引导学生进行整合设计、学习科学和技术的综合性问题解决，在一定程度上提高学生在科学学习过程中的自我效能感[10][11]，而且能够增进学生对工程技术的深度理解，使學生获得社会性成长。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王文慧.中职物理教学与电工基础课程有效衔接研究[J].当代教研论丛，2017（10）：129-130.

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[3] 管光海.基于标准聚焦核心概念的STEM 整合教育模式：美国I-STEM 模式的特点及启示[J].开放教育研究，2017，23（6）：87-93.

[4] H·Lynn Erickson，Lois A·Lanning，Rachel French.Concept-Based Curriculum and Instruction for the Thinking Classroom [M].2nd ed.Thousand Oaks：Corwin，2017.

[5] 张静.基于液体浓度光学测量的实验研究[D].长春：东北师范大学，2015.

[6] Ziapour Behrooz M，Shokrnia Mehdi，Naseri Mohammad.Comparatively study between single-phase and two-phase modes of energy extraction in a salinity-gradient solar pond power plant[J].Energy，2016（111）：126-136.

[7] Ana Rita Mota，Jo?o Lopes dos Santos.Virtual Images：Going Through the Looking Glass[J].Phys.Teach，2017（52）：52-53.

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[10] Choi Y，Yang J·H，Hong S·H.The Effects of Smart Media Based STEAM Program of ‘Chicken Life Cycleon Academic Achievement，Scientific Process Skills and Affective Domain of Elementary School Students[J].The Korean Society of Elementary Science Education.2016，35（2）：166-180.

[11] Kong Y·T，Ji I.The Effect of Subject Based STEAM Activity Programs on Scientific Attitude，Self Efficacy，and Motivation for Scientific Learning [J].Korean Journal of Plant Tissue Culture，2014（17）：3629-3633.

（責任编辑 易志毅）