STEAM教育理念下的高中物理教学实践研究

张滨 阮伟文

摘   要：新高考从3+3模式过渡到3+2+1模式，更加注重发展学生的终身能力，培养学生解决新问题的能力。STEAM教育理念强调的是能够渗透各学科的知识，培养学生的综合知识的能力。因此，探索STEAM教育理念在高中物理教学中的实践研究，非常符合新高考的理念，有助于提高学生的核心素养。

关键词： STEAM教育理念;高中物理;实践研究

传统的物理教学，教师上课经常是填鸭式教学，课堂很多都是让学生不断地做习题，很少启发学生。为了应付高考，注重刷题，这样长久的训练下去，学生只会成为刷题的机器，而不能自主探究学习。新高考命题更加的灵活、创新，对学生的跨学科能力要求更高。现在的物理高考题很重视题目的情境性，很多学生看不懂题目，综合素质不强，导致学生在与生活实际相联系的题目中得分不高，而STEAM教育理念能够培养学生综合知识能力，培养学生在具体课程活动中学会探究、合作、动手的能力，因此STEAM教育理念在平常物理教学中的实践将有助于学生各方面的能力的培養.

1  高中物理教学中STEAM课程开展的价值

1.1  STEAM课程可以提高学生的通识力

STEAM教育就是集合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）的多领域相互融合的综合教育。STEAM教育发源于美国，它是在已有的STEM教育的基础上融入了“A”元素，即艺术元素后发展完善而来的。此后，它迅速跃升为国际教育届的热点[ 1 ]。STEAM课程没有否定任何一门学科，也没有特别强调哪一学科，而是希望每一个学科都能够融会贯通，形成互相渗透、互相补充的关系。比如，学生在学物理的过程当中，可以渗透语文、数学、艺术、技术各个学科的知识，让学生在研究物理问题的时候，也能与别的学科的知识互相联系与综合，从而提高自己的眼界和知识面，提高将多方面知识融汇应用的能力。

1.2  STEAM课程可以提高学生的创造力

培养学生的科学精神和创造性思维的能力是STEAM教育弘扬的重要理念。STEAM课程的实施，需要有很强的数理化知识和劳动技能。在对高中物理教材中“传感器”进行探究的时候，可以引入机器人，拓展学生的知识眼界。 STEAM教学提倡以提出问题进行教学的开展，在利用传感器元件进行报警电路的探究时，可以鼓励学生来设计这个实验，提出实验方案，发挥自己的创造力，也可以和团队成员通过所学的知识对实验方案提出不同的看法，进行补充，然后提出更好的方案。确认方案后，学生可以动手进行实验探究，得到传感器的应用和特点。在提出问题、解决问题的过程中培养学生的科学精神和学生的创造力。

1.3  STEAM课程可以提高学生的社交力

STEAM项目在解决问题时一般需要团队完成。在设计实验成品的过程中，团队成员可以互相表达自己不同的见解与看法。对一个项目学生会查阅资料，提出与这个项目有关的知识，并且对这些知识进行整合。在与团队成员沟通的过程中可以锻炼自己的口才，协调组织的能力。动手创作的过程中需要团队成员互相配合，在团队合作的过程中，还需表达自己的想法。因此，STEAM课程有助于提高学生的社交力，与人合作的能力。

2  STEAM课程在高中物理实验教学中应用

高中物理实验是物理教学中最重要的一个环节，物理实验教学能培养学生动手探究、收集数据以及数据处理的能力。在物理高考实验题中，实验题的得分率并不高，主要原因是学生在做高一高二分组实验时对实验原理缺乏深刻理解，对实际操作和误差分析也不是很重视。而 STEM 教育理念的课堂以学生为中心，让学生综合运用跨学科知识解决真实情境问题。可见，STEM 教育理念在高中物理学科教学中发挥着重要的作用[ 2 ]。如何在高考复习中实施有效的高考实验复习策略，既能够提高实验技能，又能领会实验中的创新思维，是高三教师面临的重要挑战。

高中物理实验在高考中属于必考的内容，纵观几年下来的高考实验题，基本上一个和教材原型实验类似，另外一个是教材的创新拓展性实验。在普通高等学校招生理科全国统一考试大纲中，关于物理学科要考查的“实验能力”是这样叙述的：能独立完成“考试内容与要求”中所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论。能对结论进行分析和评价[ 3 ]。能发现问题，提出问题，并制定解决问题的方案;能应用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题。因此，在高三物理实验复习当中，应该要重视教材原型实验，知道实验目的，理解实验原理，规划实验步骤，懂得分析数据，弄清误差来源。在这基础上，再对拓型展创新型实验进行适当的训练，这样就能更有效地进行高考实验复习。

2.1  重视实验原理的考查

实验原理是整个物理实验的灵魂。基本上每一道实验题，都重视对实验原理的考察。教师在讲课的过程中除了对实验步骤、目的、器材的交代，还要特别重视对实验原理的推导。在新情境拓展型实验当中，虽然题型比较新，但是有的时候实验原理没有变，因此了解实验原理是至关重要的。

例：如图1所示，放在长短槽内的三个小球的质量相等，皮带所在左右塔轮的半径也相等，则在加速转动过程中，左右标尺漏出的红白等分标记会________（填“变长”“不变”“变短”或者“无法确定”），两边红白等分标记之比会________（填“变大”“不变”“变小”或者“无法确定”），在匀速转动的过程中，左右标尺红白等分标记之比为________。

这道题考查的是向心力演示仪的实验原理：（1）同一皮带轮的线速度大小相等;（2）同一塔轮的角速度相等;（3）当转动放在槽上的球，小球会给挡板一个力，挡板会带动横臂，横臂再向下带动套筒，这样就露出红白相间的标尺，标尺的多少间接体现了向心力的大小。这道题如果知道了是向心力演示仪实验装置的原理，就很容易得到结论。

2.2  考查操作步骤和误差分析

实验过程中，实验操作也是实验很重要的一个环节，实验操作是否规范会影响到实验的误差大小。

例：某实验小组采用如图2所示的装置“探究动能定理”，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行.打点计时器的工作频率为50 Hz。实验中木板略微倾斜，这样做______;

A.是为了使释放小车后，小车能匀加速下滑

B.是为了增大小车下滑的加速度

C.可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功

D.可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动

以上这两小题考查的是用橡皮筋对小车做的功来“探究动能定理”的操作步骤，这个实验的巧妙之处是让橡皮筋的功有倍数关系，因此直接改变橡皮筋的条数的方法来求功，不需计算出具体数值，这样需要将每条橡皮筋拉到同一位置。这个实验需要平衡摩擦力，让橡皮筋做的功就是合力做的功。因此在平常课堂中的分组实验，教师要记得交代需要平衡摩擦力这个实验步骤，木板要倾斜，学生一定要亲自动手操作。

2.3、考查实验的数据分析

物理实验中很重要的一个环节是数据处理，通过实验的数据分析能够训练一个人的逻辑思维能力，以及对这个实验原理的深刻理解，近几年高考也时常考到数据分析。

例：某同学用如图3所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。用光电门测时间，就能求出小球过最低点速度。如果记录钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。如表1为该同学的实验结果。

传统的验证机械能守恒实验都是因为阻力的作功，而导致动能变化大小ΔEk小于势能变化大小ΔEp，这组数据突破以前的认知，数据是ΔEk大于ΔEp。这题考查的是对实验数据分析能力，原来测小球的速度主要是小球过光电门（图4），用小球的直径除以挡光时间。本题实验主要是因为小球下面多的了个遮光条（图3），遮光条的速度才是测量值，它比小球的速度要大，因为它们到悬点的距离（半径）不一样，因此动能就比实际值大了。但是势能还是算小球的势能变化，因此遮光条动能的增加大于小球势能的减少，这是由实验装置引起的系统误差，从这道实验题可以看出分析实验数据的重要性，虽说考的是实验数据，但是考查的是对物理知识比如圆周运动、机械能守恒的理解，数据背后其实隐藏着一种科学的思维方法，考查的是一种逻辑分析能力。

2.4  注重教材原型实验，提高拓展型实验的科学思维能力

高考实验的题型一种是由教材原型实验，另一种是拓展型实验。很多拓展型实验都是由教材的原型实验改编。平抛运动的教材原型：如图5所示装置研究平抛运动的教材原型实验，钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出，落在水平挡板MN上，钢球落在挡板上时，钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点，上下移动挡板，重新释放钢球，如此重复，白纸上将留下一系列痕迹点。

如图6所示，在轨迹上取A、B、C三点，AB和BC的水平间距相等且均为x，测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2。可求得钢球平抛的初速度大小为________（已知当地重力加速度为g，结果用上述字母表示）。

平抛运动拓展型实验：如图7所示，将该木板竖直立于水平地面上（木板表面垂直于纸面），使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞到木板并在白纸上留下痕迹A;将木板向远离槽口平移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞在木板上得到痕迹B;又将木板再向远离槽口平移距离x，小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，再得到痕迹C。若测得木板每次移动距离x=10.00 cm，A、B间距离y1=7.02 cm，B、C间距离y2=16.82 cm.可求得钢球平抛的初速度大小为________。

我们把教材原型实验和拓展型实验相对比，拓展型实验只是把水平槽左右移动改成上下移动，最后求的初速度用到的原理都一样，都是依据运动独立性：水平匀速运动，竖直自由落体运动，可以得到平抛运动的两个公式，y2-y1=gT2，x=v0T，继而算出v0.

高考实验能力主要体现在两个方面，一是对“考试内容与要求”中所列出的实验，必须独立地、认真地、带有研究性的做过。通过实验可以培养动脑和动手能力。二是能灵活运用所学过的理论、实验方法、仪器去处理分析，研究某些未做过的实验，包括设计某些比较简单的实验，这体现了一定的知识迁移能力[ 3 ]。

高考物理的特点是“源于教材但不拘泥于教材”，既考查學生完成现有教材中实验的基本能力，又考查解决教材之外的拓展性、创新设计性实验问题的能力。如何通过高三复习有效提高学生实验思维与实验动手能力，采用怎样的策略进行实验复习，是历届高三教师不断研究的课题[ 4 ]。

3  STEAM课程在高中物理教学中的案例

物理概念的建立需要创设情境。学生在学习物理概念之前，基于生活经验形成了大量的经验性常识，要在此基础上建构物理概念，必须对所观察的现象重新加工，在诸多客观情境中概括事物的共同属性，抽象事物的本质特征，完成从经验性常识向物理概念的转变。在这个过程中，教师应促进学生科学思维的发展[ 5 ]。

在上高中物理必修1“力的分解”这节课的时候，可以给同学们介绍斜拉索桥的知识。比如第一座斜拉索桥于1955年在瑞典建成。世界最大的斜拉索桥是中国的苏通大桥。斜拉索是中国目前最流行的桥梁之一，全国正在建设的斜拉索桥有三十余座。也可以根据地域特点，给福州的学生介绍在福州的一座斜拉索桥——三县洲大桥。如图8所示：斜拉索桥除了拉索，它还有塔柱和主梁。

教师可以向学生提出斜拉索桥的原理是什么？学生针对抛出的问题进行思考， 斜拉索桥承受的重量并不是他上面的车辆，而是桥本身的自重，也就是脚下的主梁。教师分析其中一个索塔， 斜拉索分布在索塔两侧，索塔和桥梁通过斜拉索连在了一起。把索塔所受到的两个拉力进行分解，分别分解水平方向和竖直方向。如图9所示，会发现水平向左和水平向右的两个分力互相抵消，剩下两个竖直向下的分力，这两个向下的分力，一起叠加在索塔下面的桥墩上。而这两个斜拉索的另一端受到了主梁对他的拉力作用，那这样主梁的重力最后就通过拉索施加在桥墩上了。通过对身边的斜拉索桥的原理进行分析，学生更有兴趣去了解这座大桥的原理，这就是STEAM课程的精神体现。从身边的事物出发，然后提出问题，在解决问题的过程中，学生的思维能力得到发展。同时，学生也对桥的历史多了一点了解，增加了自己的人文知识。

接下来可以给学生提供一些斜拉索桥的材料，如图10所示，让学生在一定的时间内进行设计、拼装，并且加入自己的创意对外表进行艺术加工，同时也可以评比出好的斜拉索桥。在斜拉索桥制作的过程当中，体现了STEAM的教育理念。

“S”： 斜拉索桥的原理

“T”： 斜拉索桥器材的连接技术

“E”： 材料的拼接本领

“M”： 斜拉索桥的拉索和塔桥需要用尺子测量

“A”： 斜拉索桥的加工与艺术设计，比如说对它上颜色

在自己动手制作斜拉索桥的过程中，学生的动手能力和探究能力得到了培养。通过测量斜拉索桥的尺寸以及对斜拉索桥的艺术加工，能够让自己的综合素质得到提高，各门学科的知识在这里得到了互相补充、互相促进。同时学生互相合作，不断的尝试，敢于探究，用科学的思维去挑战所学的知识，在不断的尝试中能够锻炼自己的耐心与意志力。

STEAM重视科学技术、工程、艺术、数学各学科互相综合与渗透。在平常高中物理教学中可以不断渗透STEAM课程理念，相信学生的创造性思维能得到发展，让学生在动手中思考问题，有助于提高学生的实践能力，从而提高学生的科学素养。

参考文献

[1] 范文翔，赵瑞斌，张一春.美国STEAM教育的发展脉络、特点与主要经验[J].比较教育研究，2018，40（6）：17-26.

[2] 庄琳.基于 STEM 教育理念的高中物理校本课程实例[J]. 中学生数理化，2021（1）：20.

[3] 教育部考试中心.普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明.理科[M].北京：高等教育出版社，2019： 328.

[4] 赵静.浅谈高三物理实验复习策略[J].物理教学，2014，36（6）：25-27.

[5] 廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社， 2018： 49-59.