在高中物理教學中滲透STEM教育理念①
——以“研究新型導體的伏安特性曲線”為例

(江蘇省揚州市新華中學，江蘇 揚州 225009)

1 引言

STEM教育將科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)等多門學科進行整合，以培養學生的設計能力、合作能力、問題解決能力、實踐創新能力等，從而提升學生的核心素養。目前我國高中課程標準還是分學科制定的，但這并不妨礙我們在物理教學中滲透STEM教育的理念，體現STEM課程的情境性、設計性、體驗性、協作性、跨學科性等核心特征。本文以“研究新型導體的伏安特性曲線”為例，整合“直流電路”這一章的幾個重要知識點，探討如何在中學物理教學中滲透STEM教育理念。

2 問題聚焦：如何設計實驗，描繪新型導體的伏安特性曲線

筆者通過一則新聞報道引出研究問題，激發學生的探究欲望，同時明確探究任務：“記者從中科大獲悉，該校俞書宏教授研究組最近研制出一種新型透明柔性導電材料，這種材料即使放在水或酒精中揉搓，仍能保持良好的導電性，研究人員還基于此柔性導電電極制備出靈敏的柔性電子觸屏……”科學家不斷地研制出各種新型導電材料，那么這些新型導電材料的導電性到底如何？它們的電流隨電壓的變化關系是怎樣的(即伏安特性曲線)？如何設計實驗來描繪這些新型導電材料的伏安特性曲線(I-U圖像)呢？

3 活動體驗：利用初中物理知識，描繪小燈泡的伏安特性曲線，并提出新問題

學生在初中只學過滑動變阻器的限流接法，對電流表的內接法和外接法也難以區分。筆者讓學生基于初中所學知識，分別用電流表內接法和外接法設計表格、記錄數據、描繪小燈泡的伏安特性曲線。雖然學生在初中已經學過簡單的電路知識，但整個實驗過程中，還是或多或少暴露了一些問題，如電表正負極接反、電表量程選取不合理、表格設計不規范、描點作圖不規范、出現電路故障時不會排查等等。實驗中遇到這些問題，其實很正常，這正是我們必須經常動手實驗、重視實踐的原因所在。只有正視這些問題，并積極想辦法解決，學生的各項能力才能逐步得到提高。

筆者糾正了學生實驗和作圖過程中存在的錯誤，然后啟發他們去比較電流表內、外接的不同，提出以下問題：(1) 分別采用電流表內接法和外接法時，我們做的實驗結果卻明顯不同，哪一種更準確呢？(2) 根據大家設計的兩種電路，燈泡中的電流、電壓都不能從零開始變化，能否設計一種電路使電流、電壓從零開始變化呢？這兩個問題的提出旨在激發學生的好奇心，為接下來新知識的學習埋下伏筆。在教學過程中，能讓學生帶著問題、有目的性地去學習新知識，其學習效率一定會高于漫無目的的學習效率。

4 學習新知：電流(壓)表的改裝、電流表的內外接、滑動變阻器的分壓接法

欲解決上面提出的第(1)問，要先引導學生認識到電流表和電壓表的本質，即要引導學生掌握電流表和電壓表的改裝原理，在此基礎上，再分析電流表內外接的不同就比較容易了；欲解決第(2)問，就是要引導學生掌握滑動變阻器的分壓接法。

4.1 電流表、電壓表的改裝

學生在初中學習時將電流表和電壓表都當成理想電表，即在簡化電路時“將電流表視為導線、將電壓表視為斷路”，這種觀念“根深蒂固”。為了打破這種觀念，筆者首先設計了如下實驗。

如圖1所示，在實驗操作前，筆者首先問學生：你認為電壓表有沒有示數？電路中有沒有電流？為什么？多數學生認為：電壓表有示數，但電路中沒有電流，因為電壓表在電路中可以看成是斷路。筆者先不作點評，而是讓學生自己動手實驗。緊接著又設計了下一個實驗(兩個電壓表相同)，如圖2所示，同樣，在實驗操作前問學生：你認為電壓表有沒有示數？電路中有沒有電流？為什么？這時，學生幾乎一致認為電壓表沒有示數，電路中也沒有電流，因為兩個電壓表在電路中都被視為斷路，電路不通。

圖1

圖2

在猜想的基礎上再動手實驗，學生有了意外發現：兩個電壓表都有示數，而且示數相同。這個結果讓學生感到很驚訝，這是用初中知識無法解釋的。面對這樣的“認知沖突”，學生必然會有濃厚的興趣去探究電流表和電壓表的本質。于是，筆者給學生展示了一下電流表、電壓表的內部結構，讓學生認識到電流表、電壓表其實有一個共同的表頭。表頭本質上即為一個靈敏電流計，而靈敏電流計本質上即為一個電阻，只不過它能將通過自身的電流大小通過指針偏轉顯示出來。

認識了表頭的本質，接下來就是引導學生進行電流表和電壓表的改裝。筆者通過一個具體問題來引導學生討論：已知表頭的內阻為Rg=120Ω，滿偏電流Ig=3mA，那么，能否將它直接接到一節干電池兩端？你能想出什么辦法將其改裝成量程為0.6A的電流表嗎？又如何將它改裝成量程為3V的電壓表？

筆者將學生分為兩組，分別討論以上兩個問題，即分別研究電流表和電壓表的改裝。然后請學生代表為全班同學展示電流表和電壓表的改裝。在此過程中，筆者進行適當的補充和點評。最后再動手實驗：用改裝后的電表進行測量，加深對電流表和電壓表改裝原理的理解。

4.2 電流表內接法和外接法

當學生已經理解了電流表和電壓表的本質后，就比較容易分析電流表內接法和外接法的不同。

筆者將學生分為兩組，讓他們分別對電流表內接法和外接法的誤差原因、誤差結果進行分析，并討論什么情況下用電流表內接法產生的誤差更小、什么情況下用電流表外接法產生的誤差更小。最后請學生代表為全班同學進行分析、講解，筆者進行適當的補充和點評。

在課堂上，要充分發揮學生的主體作用，老師適當點撥、發揮出必要的引導作用即可。在學生交流、討論的過程中，不可避免地會產生各種錯誤，老師要懷著寬容的心態鼓勵學生繼續討論，將犯錯視為學習的好機會。在學生學習過程中，當然也會遇到各種各樣學生解決不了的問題，這時老師的“腳手架”作用就該發揮出來了。但要注意在學生的“最近發展區”內設置問題，這樣才能充分調動學生的學習興趣，引導學生逐步深入學習，取得進步。

4.3 滑動變阻器的分壓接法

筆者首先向學生介紹了滑動變阻器的分壓接法，然后引導學生比較滑動變阻器限流接法和分壓接法的不同之處，并交流展示。滑動變阻器的分壓接法學生從來沒有接觸過，所以由筆者介紹。而當筆者介紹完分壓接法后，比較限流接法和分壓接法的不同點，則完全可以交給學生自己處理。筆者設置了一個表格，引導學生進行分析討論。這里充分發揮了教師的主導作用和學生的主體作用，教師的“教”是為了引導學生更好地“學”，因此教師的“教”要“教”得恰到好處，并“適可而止”。

5 優化實驗：用新學知識描繪小燈泡的伏安特性曲線

在學習了電流表內、外接法的不同和滑動變阻器的分壓接法之后，學生就可以對之前體驗活動中設計的電路圖進行優化了。在優化實驗中，筆者并沒有明確告訴學生電路設計方案，而是讓學生自己去分析問題，設計恰當的電路，并進行實驗。例如，筆者將“選擇電流表的接法”這個問題交給學生去思考。有的學生提出：燈絲是鎢絲，是一種金屬，阻值相對較小，應該選擇電流表外接法；有的學生提出：可以通過燈泡銘牌上所標識的額定電壓和額定電流估算燈泡的電阻，再確定如何選擇電流表的接法；有學生提出可以上網查一下燈絲的電阻；也有學生想到用“試觸法”等等來決定電流表的接法。

由于整個實驗探究的意圖是希望學生掌握描繪新型導體的伏安特性曲線的方法，在科學家研制新型導體的時候，其實一開始也并不清楚新型導體的阻值情況，那么如何選擇電路進行測量呢？因此在這個優化實驗活動中，筆者也并未告訴學生燈泡的阻值情況，而是讓學生自己想辦法解決問題。事實證明，在這個問題的解決過程中，學生用到了估算法、試觸法等多種方法，利用了已有生活經驗(舊知識)、分析數據的能力、搜索資料的能力等。因此，教師在教學中要盡可能設置一些開放性的問題，設置的問題也要盡可能貼近真實的復雜情境。因為，在真實的復雜情境下，學生往往需要調用各種知識和能力去分析問題、解決問題，這樣學生的綜合應用知識解決問題的能力才能得到提高，這正體現了STEM課程的基本理念。

6 拓展延伸：描繪新型導體的伏安特性曲線

學生體驗的實驗是比較傳統、基礎的，在體驗活動后，有必要對其進行拓展延伸，以拓寬學生的視野。

(1) 對于學生實驗中獲得的數據，除了可在紙上描點作圖外，還可以通過Excel進行數據處理。這一部分的拓展主要由筆者操作演示，然后請學生體驗操作過程。目的是讓學生體會到信息技術給物理研究帶來的便利，啟發學生平時要注意提高自己的信息技術水平。

(2) 在體驗活動中用到的是傳統的電流表和電壓表，其實還可以通過電流傳感器和電壓傳感器進行實驗。用傳感器的最大優勢在于能夠實時地將探測到的數據傳輸到電腦中進行處理，更為準確和便捷。通過傳感器實驗，能夠引導學生學習新實驗技術，拓寬學生的實驗思路，激發學生的探究熱情。

(3) 介紹其他傳感器及科學家研制出的一些新型材料。筆者事先布置感興趣的學生搜集資料，然后全班交流分享。旨在培養學生搜集、整理相關資料的能力，以及主動學習、交流分享的能力。

本案例是由一則新聞報道引出研究主題，體現了STEM課程的情境性。圍繞這一主題筆者設置了體驗活動，體現了STEM課程的設計性、體驗性。先讓學生應用舊知識解決問題，而在此過程中又遇到了一些舊知識無法解決的問題，這就激發了學生探索新知的學習欲望。在學習新知識時，筆者首先設置了一組實驗，通過“先猜想后實驗”，制造出學生的“認知沖突”。在學生“意料之外”“興趣盎然”之時引導學生學習新知識，并在學生“力所能及”的知識領域由學生進行自主探究。通過分組討論、合作交流，充分發揮了學生的主觀能動性，也鍛煉了學生語言組織、邏輯思維、團隊協作等能力，同時還增強了學生分享展示的勇氣，體現了STEM課程的協作性。最后通過動手實驗，進一步增強對新知識的理解，打破學生的“思維定勢”。在學生動手操作的過程中，會遇到很多實際問題，而這些來自真實情境的問題正是培養學生分析問題、解決問題能力的絕佳機會，教師和學生都應該積極把握這些機會。因為，面對真實情境下的問題，學生往往要調用各類知識和各種能力，同時借助相關技術才能解決真實的復雜問題，這體現了STEM課程的跨學科特征。在這個過程中，學生綜合應用知識解決實際問題的能力也會在“不知不覺”中得到提高，這正是STEM教育的初衷。