基于STEM教育的高中物理教學設計
——以“液壓傳動”的教學為例

劉曉利 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

STEM教育是國際科學教育改革中倡導的一種學科整合理念，同時為我國物理教育改革提供了新思路.現今開發STEM教育課程是促進科學、技術、工程和數學融合的重要途徑.STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)的簡稱，由美國國家科學基金會于20世紀90年代提出[1].隨著STEM概念的不斷發展，教育者逐漸意識到了STEM概念背后隱藏的教育價值，因此STEM教育成為了國際科學教育改革中倡導的一種學科整合理念.STEM教育強調通過跨學科整合，解決真實世界的復雜問題，提高學生的問題解決能力和創新實踐能力，培養現代社會所需要的、具備STEM素養的創新人才.STEM教育為我國物理教育改革提供了新的研究思路，但我國高中階段設置的學科屬于分科教學，因此我國發展和落實STEM教育應該走與學科相結合的道路，STEM教育課程的開發和設計應該以原有的學科課程為載體，進而融入STEM教育理念[2].余勝泉等人(2015)在前人研究的基礎上，歸納了STEM教育的9個核心特征，分別為跨學科性、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性[3]，這為STEM教育課程的開發和設計提供了思路.物理課程本質上是一門科學課程，是培養學生理性思維最具有代表性的學科之一，其本身又與技術和工程密切聯系，這為教師在物理教學中應用STEM教育創造了有利條件.

基于STEM教育的高中物理教學，教師應該引導學生將物理知識作為載體認識世界、解釋自然界的客觀規律，解決自然現象“是什么”“為什么”的問題；在尊重自然界規律的基礎上，運用工程和技術的知識改造世界，解決實踐中“做什么”“怎么做”的問題；將數學作為輔助工具，使科學、工程和技術得到更好的發展.本文以高中物理“液壓傳動”的教學為例，從創設情境、協作探究、設計制作和評價反思4個方面，探討基于STEM教育的高中物理教學設計，凸顯STEM教育的本質，提升學生的STEM 素養.

1 創設情境——提出制作任務

教師利用多媒體播放視頻：炎熱的夏天，正在行駛的汽車突然爆胎，司機拿出“神秘工具”，如圖1所示，反復地提拉、按壓手柄，頂起笨重的汽車，成功置換車胎.教師向學生介紹該“神秘工具”是生活中常用的液壓千斤頂，并提出制作任務，以小組為單位設計和制作液壓千斤頂模型.

圖1 液壓千斤頂工作示意圖

設計意圖：STEM教育強調解決真實情境的問題，而真實情境是激發學生學習興趣，驅動學生學習的關鍵因素.播放生活中使用液壓千斤頂的視頻，將課堂與真實的情境相連，有利于激發學生強烈的視覺興趣和操作興趣，促使學生積極主動地參與到課程的學習、設計與制作中.

2 協作探究——建構物理知識

學生設計和制作液壓千斤頂模型，首先需要掌握液壓傳動的概念和工作原理.本文基于學生的認知發展水平，將引導學生經歷提出問題→收集證據→解釋交流3個環節，通過協作探究的方式科學地建構物理知識，為設計和制作液壓千斤頂模型奠定理論基礎.

2.1 提出問題

教師首先利用簡易液壓傳動裝置，如圖2所示，采用機械工程中的表述，引導學生了解液壓傳動是一種通過液體傳遞動力的方式；然后在大小活塞上分別放400 g和200 g的重物，演示輕的物體可以托起重的物體，引導學生發現、提出問題：為什么借助簡易液壓傳動裝置，輕的物體可以托起重的物體?

圖2 利用簡易液壓傳動裝置演示輕物體可以托起重物體

2.2 收集證據

如圖3所示，教師組織學生兩人一組利用簡易液壓傳動裝置進行“大力士PK”的小游戲，使學生親身體驗施加在活塞上的力和活塞大小之間的關系，引導學生提出猜想：影響兩個活塞上壓力的大小可能與活塞的橫截面積有關.

圖3 利用簡易液壓傳動裝置進行“大力士PK”的小游戲

接著教師組織學生以小組為單位探究兩個活塞上壓力的大小與活塞橫截面積的關系，驗證猜想的正確性.通過激烈的討論，不同小組的學生設計的探究方案不同.

例如，A小組提出利用圖2所示的簡易液壓傳動裝置進行實驗，保證活塞的橫截面積不變，在提前設計的實驗表格中記錄活塞的橫截面積和活塞的質量，然后分別在大小活塞上分配重物，當系統達到穩定時，記錄活塞上重物的質量，并分別換算出活塞受到的壓力大小，如表1所示.

表1 A小組實驗數據記錄表(g=9.8 m/s2)

圖4 A小組利用Excel軟件數據擬合

2.3 解釋交流

教師組織學生以小組為單位對探究結果進行科學解釋，得到液壓傳動的工作原理：作用在兩個活塞上的壓力大小與活塞的橫截面積成正比，即作用在小活塞上的小壓力通過液體的傳遞在大活塞上得到大壓力，因此小活塞上的200 g重物可以頂起大活塞上400 g的重物.現實生活中通過液壓傳動裝置，可以實現輕的物體頂起重的物體.在此基礎上，教師組織學生交流協作探究的成果，分享解決問題的思路和方法，使實驗研究的小組和理論探究的小組實現優勢互補.

設計意圖：在物理教學中應用STEM教育的前提是學生必須掌握與物理相關的理論知識，教師不能單純地追求學科之間的整合，而忽視了物理知識的教學.因此在協作探究環節，教師組織學生經歷提出問題、收集證據和解釋交流的過程，不僅有助于學生形成對液壓傳動相關知識的深層理解，還能使學生學習科學研究的方法.與此同時，學生在開放的學習環境中共同動手、動腦參與學習過程，還有利于發揮特長，鍛煉分析問題和處理問題的能力.此外，解決問題方法的多樣性促進了學生批判性思維和創造性思維的發展.

3 設計制作——實現學科整合

設計制作是學生以液壓傳動的工作原理為載體完成制作任務的關鍵環節.本文首先利用Adobe Flash Professional軟件自制Flash動畫，采用全班協同設計的方式，啟發學生通過改進簡易液壓傳動裝置，得到液壓千斤頂的關鍵結構；然后組織學生以小組為單位制作液壓千斤頂模型.

3.1 協同設計液壓千斤頂的關鍵結構

設計1：建造單向閥1

教師通過演示簡易液壓傳動裝置，按壓小活塞，大活塞上升，模擬頂起重物的過程；提拉小活塞，大活塞下降，不能頂起重物，進而提出問題.

師：怎樣改進簡易液壓傳動裝置，使大針筒里的液體不能流回小針筒呢?

生：(學生分組討論)在中間的導管上放個夾子.

師：其實不讓液體流動，我們可以在大液缸和小液缸之間加一個單向閥，如圖5所示.單向閥是工程機械中常用的一個裝置，如圖6所示，僅允許油液沿一個方向流動，不允許反向倒流.當液體往上流，沖開紅色的小球，通路導通；當液體往下流，紅色的小球堵住管口，通路斷掉.

圖5 建造單向閥1

圖6 單向閥

設計2：建造儲油池

教師引導學生分析頂起重物，需要源源不斷地通過小液缸給大液缸提供油液，就要設計一個儲油池與小液缸相連接，如圖7所示.

圖7 建造儲油池

設計3：建造單向閥2

教師引導學生分析提拉小活塞，單向閥1關閉，儲油池中的液體單向的流入小液缸，按壓小活塞，小液缸中的液體又流回儲油池，提出問題.

師：怎樣設計，才能實現儲油池中的液體只能單向的流入小液缸，而不能反向的流回儲油池呢?

生：在儲油池和小液缸之間也加一個單向閥,如圖8所示.

然后引導學生了解提拉小活塞，單向閥2打開，儲油池中的液體單向的流入小液缸，按壓小活塞，單向閥2關閉，單向閥1打開，小液缸中的液體單向的流入大液缸.反復的提拉、按壓，就可以頂起大活塞上的重物.

圖8 建造單向閥2

設計4：建造截止閥

師：大家怎么設計實現重物自然下降?請從環保和循環利用的角度分析.

生：(學生分組討論)在大液缸和儲油池之間加一條通路，使大液缸中的液體可以流回小液缸.

師：可是只加一通路，大液缸中的液體會一直流回小液缸，這樣頂不起汽車啊?

生:在大液缸和儲油池之間加一個類似“水龍頭”的開關，頂起重物的時候，關閉水龍頭，重物下降時，打開水龍頭.

師：“水龍頭”其實叫做截止閥，大家的想法非常好！在液壓千斤頂工作時，截止閥處于關閉狀態，適當的時候我們打開截止閥，重物就會下降了，目前為止我們得到了液壓千斤頂完整的工作結構，如圖9所示.

圖9 液壓千斤頂工作示意圖

設計意圖：液壓千斤頂的工作結構和工作原理比較復雜，學生需要具備工程學和技術的知識，因此采用全班協同設計的方式，降低課程學習的難度.在這個環節，學生充當“設計師”，在教師的引導下通過4項設計，逐步地得到液壓千斤頂的關鍵結構和工作原理，為制作模型提供技術保障.

3.2 分組制作液壓千斤頂模型

教師組織學生以小組為單位制作液壓千斤頂模型，根據學校的實際情況，遵循取材容易、制作簡單、無需較多資金的原則，向學生提供制作所需要的材料和工具.學生首先需明確作品想要實現的演示效果，然后根據預期效果→繪制草圖→制作模型→檢驗模型→改進模型.下面以C小組設計的作品進行具體的闡述.

(1)預期效果

基于液壓傳動的工作原理和液壓千斤頂的工作原理，C小組的同學決定借助液壓千斤頂模型，實現用小力將人頂起來.

(2)繪制草圖

該組同學通過討論，利用CAD繪圖軟件設計出模型的立體草圖，如圖10所示，其中大液缸由4個200 mL的針筒組成，小液缸為20 mL的針筒，實現的傳動比約為1∶32；液壓千斤頂模型的框架采用長方體木架；單向閥1和截止閥是不銹鋼材質，具有較強的抗壓能力，能夠承受大液缸中液體的壓力.

圖10 液壓千斤頂模型草圖

(3)制作模型

在教師的幫助下C小組尋找到了合適的制作材料，根據設計的草圖，分工合作，開始制作液壓千斤頂模型.經過不斷地嘗試，初次制成成品.

(4)檢驗模型

反復提拉、按壓小活塞，C小組成員卻發現4個大針筒的活塞不能同時升起，裝置的穩定性較差.通過組內討論，他們認為4個大針筒的活塞在升起的過程中受到的阻力不同，因此無法同時升起.

(5)改進模型

在老師的啟發下，C小組決定利用螺絲釘，將4個大針筒的活塞與一塊木板釘在一起,如圖11所示，得到改進后的模型，如圖12所示.經過調試，4個大針筒的活塞可以同時升起，并達到了預期的目標，實現用小力將人頂起來.

圖11 大活塞制作細節圖

圖12 液壓千斤頂模型

設計意圖：STEM教育要求學習產出環節包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移運用，通過作品外化學習的結果、外顯習得的知識和能力[3].因此設計制作環節是凸顯STEM教育“設計性”的典型環節，也是實現學科整合的關鍵步驟.學生在設計、制作和改進液壓千斤頂模型的過程中，需要以液壓傳動的工作原理為載體，利用數學知識計算傳動比，利用技術和工程學的知識實現裝置的穩定性.因此學生能夠深層次地參與到學科整合的過程中，體會物理學與數學、技術、工程結合的神奇魅力，加深對科學技術的親近感.同時學生在參與制作的過程中，能夠不斷地探索解決問題的辦法，增強運用跨學科知識解決實際問題的信心，領會跨學科整合的精髓.

4 評價反思——促進共同提升

評價反思是師生交流經驗、共享成果、共同提升的環節.教師組織學生分組展示制作的液壓千斤頂模型，引導學生從作品的演示效果、外觀、創意等方面進行自我評價和組間評價.同時教師應該對教學情況進行整體評價，對好的作品、好的學習方法進行表揚，并提出學生在學科整合過程中的不足和改進意見，促進學生反思.

例如在協作探究環節，A小組經歷了提出問題、設計方案、進行實驗、收集和處理數據的探究過程，并將處理數據的技術引入課堂中，為其他同學提供了數據處理的方法.教師應該提出表揚，鼓勵其他學生吸取學習經驗，啟發學生以多元的視角尋找解決問題的辦法，提升學生解決問題的能力.與此同時教師可以根據A小組擬合的圖像提出問題，引發全班同學共同思考：為什么擬合直線存在截距，怎么消除截距減少實驗誤差?

設計意圖：STEM教育體現了“整合”的理念，這里的整合不僅包括學科知識的整合，廣義上講，也包括不同觀點的整合[4].通過評價反思，學生可以整合不同的觀點，碰撞出思維的火花，發現自身的問題，獲得他人的建議，在交流與分享的過程中，鍛煉語言組織能力和表達能力；教師可以反思基于STEM教育進行物理教學時出現的問題，提出改進教學的策略，提升自身的教學能力，做到教而有思，思而有得.

眾所周知，我國STEM教育的發展正處于起步階段，而國內現有的研究，針對STEM教育的實踐探索還較為缺乏，基于STEM教育的高中物理教學課例并不多.那么在我國分科教學的大背景下，如何在課程中真正的應用STEM教育，是值得每個教育工作者迫切思考的問題.本文以“液壓傳動”的教學為例，期望對基于STEM教育的高中物理教學設計提供可以研究的視角，切實地提升學生綜合運用知識解決實際問題的能力和創新實踐的能力.