基于STEM理念的物理實驗課程實踐

摘要：物理實驗由于知識點具有交叉領(lǐng)域，實驗資源又與多學(xué)科發(fā)生聯(lián)系，可以滲透STEM教育理念，進行實驗教學(xué).《超重》教學(xué)案例，以“實驗”為手段，以“STEM教育”為理念，以“物理實驗”為載體，以“創(chuàng)新實驗室”為環(huán)境，通過“合作學(xué)習(xí)”“項目探究”等，進行跨學(xué)科知識、能力情感價值觀的培養(yǎng)，構(gòu)建STEM理念下的“物理實驗教學(xué)”的教育新生態(tài).

關(guān)鍵詞：STEM課程；超重；模型；儀器

基金項目：2018年浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于STEAM教育理念下的創(chuàng)新學(xué)具研究與實踐”，項目編號：2018SC099.

作者簡介：段雨薇 （1987-），女，黑龍江人，本科，實驗師，研究方向：物理教學(xué).

人教版高中物理教材2010第4版必修1第四章 第7節(jié)用牛頓運動定律解決問題一節(jié)課中，展示了超重現(xiàn)象.自制實驗儀器——簡易超重演示儀充分運用多學(xué)科知識包括科學(xué)（science），技術(shù)（technology），工程（engineering），數(shù)學(xué)（mathematics）等知識能夠很好地演示超重現(xiàn)象.演示的內(nèi)容源自科學(xué)知識（science）——超重，而在自制教具搭建模型的過程中，需要充分考慮工程學(xué)（engineering）中穩(wěn)定性，充分運用傳感器人工智能技術(shù)（technology），在讀取受力數(shù)值后，能通過數(shù)學(xué)（mathematics）知識精確計算物體加速上升時的加速度，從而進行定量分析，STEM多學(xué)科知識相互配合，相輔相成.本文以站在STEM教育視角下的《超重》這一物理實驗的教學(xué)為例進行物理實驗課程實踐.

【項目名稱】超重

【學(xué)習(xí)目標】

STEM目標見表1所示.

【項目實施過程】

一、知識鋪墊

我們看到指針式表盤讀數(shù)的方式，能夠明顯看到指針的變化情況，但存在一個缺點，演示時加速過程較短，體重秤加速過程中示數(shù)變化過快，不易察覺表盤上指針變化情況.如果利用新材料——拉伸后的記憶金屬彈簧加熱后會恢復(fù)原狀的特性以及數(shù)字化傳感器制作的簡易超重演示儀，將超重現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為杠桿的不平衡狀態(tài)，現(xiàn)象是否更加直觀？如果通過傳感器又能準確記錄拉力數(shù)值，是否能夠避免了實驗過程中指針示數(shù)變化快，不容易觀察的弊端？

學(xué)生對于記憶金屬彈簧知識不熟悉（如圖2），這是一種新材料，需要對新材料的特性加以說明，同時需要回顧過去學(xué)習(xí)過的相關(guān)概念和理論知識.

（一）關(guān)鍵概念

重力、彈力（拉力）、加速度、坐標系X軸、Y軸、公式運算、方向、正負，小于、大于等.

（二）理論知識

受力分析、牛頓第二定律、傳感器技術(shù)、電路控制、作圖技術(shù)等.

二、方案制定

（一）劃分小組3—5人，確定小組負責(zé)人，小組成員分工.

（二）制定計劃，先設(shè)計與制定圖紙，畫出搭建模型草圖，再制作超重探究儀，再進行探究計算.

搭建模型：根據(jù)所給實驗器材，小組設(shè)計探究上述實驗現(xiàn)象的模型并動手制作.

首先，設(shè)計并畫出草圖，需要解決如下問題：

1.如何讓彈簧與物體加速上升？

利用記憶金屬加溫后恢復(fù)原狀的特性，帶動鉤碼加速上升.

2.彈簧與物體先處于平衡狀態(tài)還是非平衡狀態(tài)？

保持杠桿處于平衡且靜止?fàn)顟B(tài).

3.示數(shù)變化太快不容易觀察如何改進？

將超重現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為杠桿的不平衡狀態(tài).

4.定量數(shù)值如何得到？

通過傳感器讀取——傳感器連接數(shù)據(jù)采集器通過軟件讀取.

5.支架處于如何保持穩(wěn)定？

通過老虎鉗固定，擰緊.

實驗裝置的示意圖如圖3所示.

設(shè)計意圖： 學(xué)生在設(shè)計時可能遇到兩個主要問題：一是示數(shù)變化太快如何轉(zhuǎn)化；二是彈簧如何帶動物體加速上升. 這時教師進行全班巡視，對學(xué)生的設(shè)計方案給予適當(dāng)?shù)脑u價，并幫助他們了解哪些方案可行，哪些方案不可行， 提醒學(xué)生在設(shè)計時分析可利用的資源和方案的實施難度[1].

三、項目實施

（一）選擇材料與工具

選擇質(zhì)量不同的鉤碼200g、100g、50g、20g、10g等不同規(guī)格進行實驗.

選擇不同溫度特性、不同粗細、不同方向的記憶金屬彈簧進行實驗.

選擇不同規(guī)格老虎鉗、刻度尺等工具.

實驗材料如圖4所示.

（二）按圖紙加工材料

選擇合適力矩的杠桿懸掛鉤碼，稱量傳感器質(zhì)量，使得杠桿平衡.

（三）動手制作

1.安裝鐵架臺的底座，旋緊螺絲，確保其穩(wěn)定性.將軸承放在杠桿的中心點的孔內(nèi)，然后將軸承固定在鐵架臺上.

2.杠桿的右端15cm處固定拉伸后的記憶彈簧，下端掛上50g鉤碼一個，鉤碼下端懸掛力傳感器，力傳感器連接數(shù)據(jù)采集器.

3.在杠桿的左端掛上150g砝碼使杠桿平衡.

當(dāng)制作完成后，小組檢驗制作效果，能否用來探究課前提出的問題？鉤碼及支架是否穩(wěn)定？不能實現(xiàn)探究的小組，教師需提醒他們分析原因并進行改進. 例如，用膠水固定，或者更換零部件.

設(shè)計意圖：設(shè)計與制作是工程技術(shù)的核心，也是人們在現(xiàn)實世界制作產(chǎn)品的第一步.通過設(shè)計一件作品，讓他們了解設(shè)計和完成作品的基本過程，讓學(xué)生將頭腦中的設(shè)計呈現(xiàn)在紙上，可以促進他們思維的發(fā)展.動手制作是本環(huán)節(jié)，也是整節(jié)課的重點和難點.讓學(xué)生動手做，一方面可以滿足他們動手的興趣和欲望，另一方面在制作、探索的過程中體驗和發(fā)現(xiàn)科學(xué)道理.當(dāng)學(xué)生成功完成一件作品后，一定會體會到“做”成功的樂趣，改變他們對科學(xué)與技術(shù)的看法，養(yǎng)成通過“動手做”來解決問題的習(xí)慣[1].

（四）合作探究

用加熱裝置迅速給記憶彈簧加熱，記憶彈簧迅速恢復(fù)拉伸前狀態(tài)，帶動鉤碼及力傳感器，將鉤碼往上吊，鉤碼從靜止到上升的過程就是向上做加速運動的過程，此時鉤碼的向上的加速度大于自由落體的加速度g，這時我們可以看到杠桿的右端向下沉，這就是超重現(xiàn)象.同時，打開ELAB數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件，使系統(tǒng)處于“聯(lián)機”狀態(tài)，設(shè)置采樣方式為“連續(xù)采樣”，采樣頻率為20Hz，采樣總時間為20s，采樣結(jié)束方式默認為“按時間”，并對傳感器進行較零.點擊開始按鈕，力傳感器連接的數(shù)據(jù)采集器上顯示出拉力的具體數(shù)值，以及拉力隨時間的變化圖象，通過數(shù)學(xué)計算可以精確計算加速上升時加速度a的大小.鉤碼加速上升時，由于傳感器倒掛在鉤碼上，傳感器接受的數(shù)據(jù)剛好與鉤碼的運動情況相反，所以圖象顯示為失重現(xiàn)象，實為超重現(xiàn)象.力F的數(shù)值與圖象上大小相等，方向相反.當(dāng)彈簧恢復(fù)拉伸前狀態(tài)后，鉤碼靜止，杠桿恢復(fù)平衡.

探究注意問題：

1.實驗之前注意調(diào)節(jié)平衡.且不可在杠桿不平衡的狀態(tài)下開始實驗.

2.實驗結(jié)束及時按下數(shù)據(jù)采集器上的停止按鍵，保存數(shù)據(jù).

3.傳感器倒掛在鉤碼上需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，能否探究其他方案使得傳感器正立放置，直接得到實驗結(jié)果？

4.能否設(shè)計其他方案既能演示超重現(xiàn)象同時又能演示失重現(xiàn)象？

（五）成果展示

選派代表，上臺講解，制作PPT講解優(yōu)勢與不足，并展示實物.

教師就可以根據(jù)學(xué)生的實際情況提出一些思考問題. 例如，加速上升時，彈簧對鉤碼的拉力是多大？鉤碼對彈簧的拉力是多大？鉤碼對彈簧的拉力與物體所受的重力相比較哪個大？加速度的方向是朝哪里的？雙向力傳感器倒置懸掛是否影響實驗結(jié)果？拉力的大小和方向發(fā)生變化嗎？這時先組織小組討論，然后分組匯報、交流，可以要求小組分享制作的經(jīng)驗、體會.

同伴的檢驗，這對于學(xué)生科學(xué)概念和批判思維的形成大有裨益.

設(shè)計意圖：表達、交流不僅能夠促進學(xué)生積極思考，而且能夠讓學(xué)生自己的觀點接受同伴的評價和質(zhì)疑，在交流中碰撞出思想的火花， 促進思維的發(fā)展. 同時交流討論也是教師進行課堂評價一項很重要的指標[1].

（六）得出結(jié)論

超重的定義：物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象，稱為超重現(xiàn)象.

彈簧拉力最大值為F=1.4N，方向豎直向上，杠桿右端力傳感器和鉤碼總質(zhì)量m=0.15kg，則物體的加速度a=F/m=9.3m·s-2

【學(xué)習(xí)評價方法】

評價主要從學(xué)生的參與度、學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的行為表現(xiàn)以及學(xué)習(xí)成果對學(xué)生進行評價.學(xué)習(xí)過程中能積極參加課堂活動、且能探究問題，有想法的；進行合作學(xué)習(xí)活動時能主動擔(dān)任組長并組織活動.按時按量完成任務(wù)，且能主動探究問題、解決問題的最終評分較高.同時也采取學(xué)生自評、學(xué)生互評的綜合評價方式.前者占70%，后者占30%綜合計分.

【典型作品】

【使用效果】

該簡易超重演示儀（如圖5）可應(yīng)用于高中物理人教版必修1第四章第7節(jié)《用牛頓運動定律解決問題（二）》中超重的教學(xué)，定性探究超重現(xiàn)象，也可以作為學(xué)生課后拓展探究實驗定量探究加速度的數(shù)值大小的探究性實驗儀器，從而了解超重現(xiàn)象發(fā)生時，加速度的大小、方向的情況.在學(xué)習(xí)了本節(jié)課的知識后，學(xué)生們具備了自己去連接電子電路、自己搭建設(shè)計、制作實驗教具的能力，并能進行小組協(xié)作來完成這個學(xué)習(xí)項目，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，有效激發(fā)學(xué)生的探究興趣.在本校經(jīng)過多位物理教師在高一年級及自主招生年級教學(xué)中反復(fù)使用，效果甚佳，受到師生的一致好評.

此案例深入體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵.重力、彈力、加速度等科學(xué)概念，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)下的相互作用、物質(zhì)觀、運動觀等物理觀；受力分析的科學(xué)模型、牛頓第二定律的科學(xué)規(guī)律，運用數(shù)學(xué)方法、思維方法、解決復(fù)雜問題的思維流程，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)下的科學(xué)推理以及科學(xué)論證的方法；演示過程學(xué)生獲取參與實驗、獲取操作體驗技能，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)下的科學(xué)探究過程；實驗結(jié)果力求科學(xué)、嚴謹，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)下崇尚科學(xué)、尊重事實的科學(xué)態(tài)度.新材料——記憶金屬彈簧的巧妙應(yīng)用解決了難以實現(xiàn)的加速上升受力顯示或測量的問題，使得學(xué)生學(xué)會質(zhì)疑、批判、并提出創(chuàng)造性見解來解決問題.

通過創(chuàng)設(shè)一個演示超重實驗?zāi)Ｐ偷那榫常沟每茖W(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識點相互作用，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)中建構(gòu)知識、尋求合作來解決問題，對于培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)有一定的參考價值.物理實驗由于學(xué)科本身具有交叉領(lǐng)域，同時各個知識點會發(fā)生聯(lián)系，上課過程中可以用教育教學(xué)來滲透STEM教育理念，正如《超重》教學(xué)案例較好地融合了STEM的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng).演示的內(nèi)容源自科學(xué)知識（science）——重力、彈力（拉力）、加速度等科學(xué)知識，而在自制教具搭建模型的過程中，需要充分考慮工程學(xué)（engineering）中穩(wěn)定性，教具的主題結(jié)構(gòu)等等，體現(xiàn)了工程學(xué)的知識，充分運用人工智能技術(shù)（technology）傳感器，體現(xiàn)了技術(shù)性知識，使信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗有機結(jié)合.通過杠桿一端的下沉得到超重的定性結(jié)論，通過傳感器讀取數(shù)值，定量計算超重狀態(tài)下的加速度，使得實驗結(jié)果“有理有據(jù)”.在讀取受力數(shù)值后，能通過數(shù)學(xué)（mathematics）知識精確計算加速上升時的加速度，對數(shù)據(jù)進行記錄和處理，比如求加速度的大小，列表格，計算，從而進行定量分析，體現(xiàn)數(shù)學(xué)能力的培養(yǎng).STEM多學(xué)科知識相互配合，相輔相成.

參考文獻：

[1] 丁亞紅. 有關(guān)重心的STEM案例開發(fā)——以“會滑坡的竹筷小人”為例[J].小學(xué)科學(xué). 2017（2）：58-59.

[2] 尉言勛，李學(xué)強，吳曉紅.STEM課程教學(xué)案例分析：音樂卡片[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（21）：37-39.