基于STEM教育的中職物理實驗教學設計

桑蕊蕊 張皓晶 張雄 李肖 王碧鴻 馮奎

[摘 要]職業技術教育是為了培養專業型技術人才，對學生的實踐工作技能有較高的要求。因此，職業教育中物理實驗的教學不同于普通高等教育。文章通過聚焦職業教育的性質，提出一種更適合中職學校采用的物理實驗教學方法，從而實現科學探究和工程設計的整合，提高學生STEM素養的同時，為學生學習后續專業課做強有力的鋪墊。

[關鍵詞]職業技術教育；物理實驗；工程設計；STEM

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）29-0039-03

物理學是一門自然科學，也是一門帶有方法論性質的學科。職業技術教育學校開設物理課程的目的不僅是為了普及物質的基本結構、物體的運動規律以及力的相互作用等基本物理常識，還要求訓練學生解決問題的物理能力，以期為學生的專業課程學習服務。只有促進物理實驗教學與工程技術的有機結合，才能提高職教的教學質量，培養能夠滿足學生自身發展需要以及適應社會需要的終身發展的能力，提高學生解決各種復雜問題的能力，實現學生專業技能的全面提升。

根據STEM（科學、技術、工程、數學）素養要求，設計職教教學方法，以期實現中職教育中物理實驗教學與工程技術的有效銜接。首先，職業教育要實現物理實驗教學與工程技術的有效鏈接，教師在教學時，就應當加強學科概念教學[1]。其次，教師要學會設計教學情境，根據學生專業側重點，探尋相關原始物理問題，將物理與專業相結合。將實驗中遇到的物理問題作為課堂實例進行研究探討，從而達到提高學生物理學習興趣的目的[2]。同時教師要結合核心概念帶領學生進行科學探究；再次，教師要加強對學生數學知識的教授，提高學生的數學計算能力，引導學生用數學知識解決實際問題。最后，依據中職學生的發展方向以及專業要求，使其對物理實驗的科學探究最終指向社會實踐，因此要求教師引導學生在課堂上完成從科學探究到工程設計的跨越。通過物理教學與工程技術的有效銜接，使學生能夠應用知識與技能解決實際問題，促進其知識、技能和經驗之間產生關聯，并進行有意義的社會建構，從而獲得社會性成長[3]。

一、“光的折射”工程設計

中職物理學教材中，以“光的折射”課題為例，其測量液體折射率的實驗設計一般集中在對阿貝折射儀、牛頓環等實驗儀器的使用上，然而學生卻很難掌握這些測量儀器的使用方法以及實驗原理，而且有些學校缺少相應的實驗資源。筆者根據STEM素養要求，對傳統教學進行改進：首先詳細解釋液體折射率的定義；其次融合原始物理問題，結合核心概念進行科學探究；進而利用坐標紙、細竹簽、細直鐵絲等器材實施低成本工程設計。

1.核心概念

核心概念的作用在于從不同學科視角審視某一主題或問題時，能使思考者的思維超出學科局限，促使其思維達到整合的水平，促進其對相關知識問題的深層次理解，同時顧及知識遷移。在測量液體的折射率這一工程主題下，深入理解折射率的核心概念是工程設計的關鍵。折射率是量度光在介質中傳播速度的物理量（[n=cv]），折射率越小，光在介質中的傳播速度就越快。當光從一種介質（介質1）斜射到它與另一種介質（介質2）的分界面時，傳播方向發生改變，一部分光會返回到介質1中，另一部分光則會進入介質2中，并且使光線在兩種介質的交界處發生偏折，從而改變光源的視覺位置，進入到介質2中的光產生的光現象稱為光的折射。折射率最早出現在光的折射定律（斯涅爾定律）中：入射角[θ1]的正弦與介質1的折射率[n1]的乘積等于折射角[θ2]的正弦與介質2的折射率[n2]的乘積（[n1sinθ1=n2sinθ2]）。因此，光從真空斜射入某種介質發生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比即為這種介質的折射率（[n=sinθ1sinθ2]）。液體的折射率在鑒別液體的種類、濃度、溫度等方面具有重要的現實意義。根據“基于液體濃度光學測量的實驗研究”可知：液體的濃度隨液體折射率的增大而增大[5]。在相同的光照情況下，光從空氣照射到相同溶質不同濃度的液體中，液體的折射率越大，則液體的濃度越大，液體對光的吸收率越高，溫度升高越快（比爾定律：[A=kc]，[A]表示溶液的吸光度、[k]為比例常數、[c]為液體濃度）。

2.科學探究

鹽梯度太陽池作為一種太陽能熱利用系統，池內鹽水溶液的濃度分布對其熱效率的利用研究有重要的意義。一般用比重法測量溶液的濃度，而這種測量方法對太陽池的擾動較大，且測量不方便。但隨著溶液濃度的變化，溶液的折射率也會發生相應的變化。因此，可以通過測量溶液的折射率推測太陽池中鹽溶液的濃度變化。抽取真實情景中的原始物理問題，使學生在真實世界中利用知識和技能解決問題。圍繞提出的問題進行科學實驗探究，促進學生對折射率等核心物理概念的持久理解。

根據測量結果作散點圖，由散點圖可以明顯發現鹽溶液濃度與其折射率近似成線性關系（如圖6所示）。運用SPSS軟件對鹽溶液的濃度和折射率之間的關系進行回歸分析，得到鹽溶液濃度與其折射率關系的經驗公式為：[y=505.209x-674.299]（[x]為溶液折射率，[y]為鹽溶液濃度）。為了驗證工程設計方案的可操作性，配置濃度為10.6%的鹽溶液，通過實驗儀器測得其折射率為1.357，從而根據以上經驗公式計算得到的鹽溶液濃度為11.0%。計算結果與預期結果的相對誤差為3.8%。結果較滿意，說明工程設計方案的可行性。

二、總結

職業教育旨在為社會培養應用型人才，因此中職物理教學不僅要讓學生掌握基本的物理知識，更要求培養學生的物理思維，并服務于專業課程學習。“光的折射”工程設計通過將測量太陽池中鹽溶液濃度變化的原始物理問題，轉化為測量液體折射率的現實問題探究，促使學生將所學物理知識與真實情景問題相結合，從而促進知識和經驗的有意義關聯，促進物理實驗教學與工程技術的有效銜接。假設STEM對社會經濟發展具有重要意義，學生就應當在STEM情景中學會工程和技術，并且練習與設計相關的技能[9]。從科學探究到工程設計的跨越，著重培養學生的工程性思維，不僅有利于引導學生進行整合設計、學習科學和技術的綜合性問題解決，在一定程度上提高學生在科學學習過程中的自我效能感[10][11]，而且能夠增進學生對工程技術的深度理解，使學生獲得社會性成長。

[ 參 考 文 獻 ]

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[2] 楊琪.淺談現代職業教育體系下的中職物理教學[J].現代職業教育，2018（4）：80.

[3] 管光海.基于標準聚焦核心概念的STEM 整合教育模式：美國I-STEM 模式的特點及啟示[J].開放教育研究，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] 張靜.基于液體濃度光學測量的實驗研究[D].長春：東北師范大學，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.

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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.

（責任編輯 易志毅）