基于STEM教育理念的高中物理教學實踐研究
——以“傳感器的應用實驗”為例

尹慶豐

(1. 常州市武進區教師發展中心,江蘇 常州 213164; 2. 常州市武進區禮嘉中學,江蘇 常州 213176)

“有一只熊掉到一個陷阱里,陷阱深19.617m,下落時間正好2s,求熊是什么顏色的．你能算出來嗎?”是否覺得無從下手呢?

其實,根據已知條件,可以計算出當地的重力加速度g=9.808 m/s2,經過判斷,最接近這個值的地點在南北極,而南極沒有熊,北極熊是白色的,因此答案是白色．這道題目融合了物理、地理等學科,是一個典型的STEM問題．

1 STEM教育的內涵及現狀

科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics),簡稱STEM教育, 20世紀80年代興起于美國,至今已在美國中小學階段廣泛實施．[1]雖然人們對STEM教育的內涵尚未達成共識,但“學科整合”已成為其標志性特點之一．STEM教育的特色是重視學科知識之間的內在聯系,其目的是幫助學生掌握如何運用科學和數學知識來解決與技術、工程相關的現實問題,[2]正如開頭那個問題．

STEM教育是世界性的趨勢,我國對STEM教育的關注起步較晚,[3]且一直以來,我國都是采用的分科教學,一下子實現學科整合,存在“拔苗助長”的嫌疑．針對我國教育現狀,STEM教育的引入應該循序漸進．以高中物理為例,可以原有學科知識為核心,在合適的知識點或滲透技術應用、或注重數學工具、或結合前沿動態等,引導學生將物理與科學、技術、工程及數學逐步整合．整合應該是廣義的整合,而不是狹義的整合,宗旨就是培養學生的問題解決能力、自主創新能力、深度學習能力和適應未來的能力．[4,5]

2 STEM教育的教學方法探討

STEM教育常常采用問題解決驅動的、行動導向的教學方法,其中基于項目學習和基于問題學習是目前美國中小學STEM教育中最常用的兩種教學方法．[6]

兩種教學方法都起始于一個開放的問題或項目,學生通過分工合作、資料收集和數據分析來解決問題．基于項目的學習通常讓學生運用數學或科學原理和方法,設計一個方案或制作某個產品作為學習成果,[7]往往需要數周時間,并且和生活需求相關．基于問題的學習則更多的是對某虛擬情節或案例的研究,以解決方案或觀點為教學成果,而非實際產品．[8]這種教學方法的周期比較短．

針對國內教學的實際情況,筆者認為可以將上述兩種教學方法有機結合．在課堂教學的時候,由于教學時數的限制,以基于問題的學習為主,學生提出解決方案即可;在課后,對于有興趣繼續研究的學生,可輔以基于項目學習的教學方法,制作出實際的產品,達到培養創新技能的目標．

結合STEM教育要求和教育目標,筆者認為與之相符的教學設計應具有綜合性、開放性、動態性、回歸性、實踐性和多樣性的特點,[9]歸納后將課堂教學分為6個模塊,具體流程如圖1．

教學流程中,筆者加入了教學反思這一環節.如果6個模塊執行下來能夠實現教學目標,說明這節課是成功的.課堂教學還可以進一步延伸:有興趣的學生,可以嘗試將設計方案做成實物．反之,如果沒有實現教學目標,那么就要從源頭(提問)找問題,教學過程中,只有不斷地反思,不斷地完善教學設計,才能得到最佳的教學效果．

圖1 STEM教育課堂教學流程圖

3 高中物理教學中融入STEM教育理念的實踐探索

人教版選修3-2中“傳感器的應用實驗”這節課,[10]技術內容十分豐富全面,突出體現了科學、技術與社會的密切關系;突出理論聯系實際的思想,能夠培養學生分析具體事物的能力;重視聯系學生生活、社會實踐和現代科技．

然而,現有教材中,傳感器一章提及的實例,如“勇氣號”火星探測器,一來缺乏新穎性,二來缺乏實用性,已經不太適合科技迅猛發展的當下．而且,教材中只是按部就班地提供了兩個實驗,讓學生依葫蘆畫瓢,根本無法實現上述教學目標．因此,筆者結合STEM教育理念,對這節課重新進行了教學設計,獲得了意想不到的教學成果．

3.1 情境整合

筆者以高中物理的內容為核心目標,利用現實的工程問題情境來推動核心內容的學習．

情境設置:2016年7月21日下午4點半許,滬昆高速公路565km處(江西弋陽段、上饒往南昌方向)發生一起江蘇牌照貨車側翻事故．經詢問駕駛員得知,該貨車是由于高溫天氣輪胎爆胎導致發生側翻事故,如圖2所示．

此時,學生會心存疑慮,這是真的嗎?直接讓學生自己答疑,通過互聯網查詢有關汽車夏季爆胎事故的新聞報道,居然發現,每年發生在高速公路上的交通事故,46%是由輪胎故障引起,其中又以輪胎溫度過高為最．

圖2 問題情境

圖文并茂更能激發學生的代入感,學生自然而然會提出一個設想:如果能及時知道汽車輪胎表面溫度過高,是不是就可以做好預防工作,避免交通事故的發生?

3.2 基于問題的學習

考慮到時間限制,本節課采用基于問題學習的教學方法,所有的學習活動都是圍繞問題展開的．問題是STEM教育的核心,也是驅動進一步研究的起點．所以,教師需要根據教學目標和內容,精心準備,更要根據學情分析,提出難度適中、邏輯合理的問題．

針對學生提出的設想,結合本節課的中心內容“傳感器的應用”,筆者設置的問題是: (1) 生活中,你能接觸到哪些傳感器?(2) 這些傳感器有什么樣的作用?(3) 打開你們的實驗箱,看看這些電子元器件都認識嗎?它們有什么樣的作用?(4) 是否可以利用這些電子元器件,根據你們剛才的設想,設計一個裝置,當汽車輪胎表面溫度過高時報警,提醒司機呢?

3.3 分組研究問題,收集技術、數據

在富有開放性的問題情境中,進行實驗探究,這是STEM教學的關鍵步驟．在這個環節中,教師起到一個組織者的作用,指導、規范學生的探索過程．課堂上,允許學生自由組合,分成八個探究小組,這個過程注重培養學生尋求合作的團隊精神．每個小組通過教材、教輔、計算機和互聯網等方式收集資料,分工合作,既提高了課堂效率,又能夠“百花齊放”,碰撞出思維的火花．

針對上面的4個問題,學生們會有很多聯想豐富的答案,每個答案都是一個“閃光點”,教師應給予及時的鼓勵,激發學生的表現欲,促進創新思維的發展,挖掘學生探究的潛能．

3.4 引導學生物理知識的構建

經過前面的鋪墊,學生對傳感器有了基本的認識．此時,筆者將傳感器的概念、分類、原理、應用等知識點梳理清楚,給學生構建一個以傳感器為中心的知識體系．

接著,提醒學生將目光再次放回到實驗箱,而前期的問答過程已經為學生做好了知識準備,此時學生可以很迅速地將需要用到的電子元器件找出來,并且設計合理的電路．

經過反復論證,我們挑選了一種最簡單可行的方案:熱敏電阻、斯密特觸發器、蜂鳴器、滑線變阻器、集成電路板、電池盒,設計了一種“溫度報警器”,可以實現溫度報警的功能．圖3就是學生的研究成果.

(a) 電路圖 (b) 實驗裝置圖

傳統的教學到實驗裝置連接完成就結束了,然而這樣的實驗裝置并沒有解決實際的工程問題,即實現汽車輪胎表面溫度預警．可以說,到這一步還不能最大程度激發學生學習的興趣,還沒有實現STEM教育的目標．

3.5 學生分析元器件,設計解決問題的方案

核心知識掌握了,電路也接好了,接下來就應該引導學生往教師所設定的研究方向前行了．STEM教育中,必須正確處理教師的“引”和學生的“探”的關系,既不能放任自流,讓學生漫無邊際去探究,也不能過多地牽引,反客為主．所以,在這個環節,筆者追加了3個問題.

(1) 汽車輪胎表面的警戒溫度是多少?

(2)RT的變化是如何引起蜂鳴器發聲的?

(3) 如何設置警戒溫度?

對于第一個問題,查詢資料可知,因為汽車輪胎的品牌不同,工作溫度各不相同,經過討論,大家比較認可的是:汽車輪胎工作時的溫度一般是40-80℃之間,長途高速行駛可能會升高到120℃左右,這時就會很危險,因此學生們將汽車輪胎表面警戒溫度設定為90℃．

后兩個問題是本節課的核心問題,每組都設計了自己的方案,因此交流分享的教學方法更為合適．

3.6 合作交流,分享成果

合作,也是STEM教育中的重點,合作可以讓單一性思考和求異性思維相結合,碰撞出思維的火花．同組的學生圍繞著關鍵問題展開了進一步討論,并根據每個人的特長進行了分工:資料收集,選擇電子元器件,設計,畫圖,連線,驗證,交流,一環扣一環．合作交流這個過程本身,就是提升學生能力的好機會．

對于“RT的變化是如何引起蜂鳴器發聲”這個問題,雖然大家的方案各不相同,但最后的結論都很一致:因為熱敏電阻RT的阻值是隨著溫度的升高而降低的,那么電路中A點的電勢(圖3a)就會隨之升高,當UA上升到1.6 V時,UY就突然下降到0.2 V,于是蜂鳴器兩端的電壓為4.8 V,大于蜂鳴器的觸發電壓4 V,則蜂鳴器發聲．上述數值是其中一個小組用電壓表驗證的,得到大家的認可．從這個驗證過程中,學生更直觀地認識了斯密特觸發器的工作原理,筆者進行了及時的表揚．

而“如何設置警戒溫度”這個問題,大家也很明確:當R1調到某個合適的值,RT上的溫度小于90℃時,蜂鳴器不發聲;反之,蜂鳴器會發出刺耳的蜂鳴聲,提醒司機注意給汽車減速降溫．而控制溫度的方法一下子成了熱點,學生們一個又一個“稀奇古怪”的想法就都冒出來了:用燒杯裝熱水、用電吹風機、用蒸汽熨斗,等等．原來沒有什么想法的學生,在聽了代表交流發言后,也被激發了靈感,爭先恐后的發言．到此時,學生的學習興趣被完全調動起來了,熱情空前高漲,甚至課后還聽到學生的爭論．至于究竟什么方法最合適,筆者留給學生一句話——“實踐出真知”!

3.7 教學反思

如果說,前面3個步驟是“放”,讓學生有足夠的發散思維,激發他們的創造能力,那么,后面3個步驟就是“收”,引導學生往解決問題的思路上走,設計出實際方案,實現“學以致用”,提升學生的成就感．此教學設計體現了STEM教育的基本要求．

課堂最后獲得的解決方案雖然不唯一,但是將物理與生活,問題與工程有機地聯系了起來．學生在整節課中,涉及到了信息查詢、性能了解、電路作圖、實驗制作、參數確定等技能,很好地感受到科學、技術、工程和數學4大領域的緊密關系,也提高了他們全面掌握知識和靈活運用的能力．到這里,可以說,這節課已經實現了預設教學目標．

更讓人驚喜的是,幾周后,一些感興趣的學生將設計方案進行了應用改進,制作成了一個實物作品,雖然簡陋,但是具備基本

的預警功能．課堂教學得到了延伸,基于問題的學習被拓展為了基于項目的學習,學生有了學習的主動性與自發性．

4 結束語

STEM教育理念的引入,為高中物理課堂注入了一股新的活力．通過“傳感器的應用實驗”這個教學實例,筆者發現,與傳統教學相比,STEM教育基于真實問題的研究過程,更能夠激發學生的學習興趣,對培養他們融合“格物致用”與“格物致知”的能力起到潛移默化的作用．