基于STEM教學理念的影響水火箭射程的因素探討*

邱龍斌 張皓晶 張雄 李立 榮爭輝 吳楊峰

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500 )

1 引言

STEM教育是美國教育改革的標志，是國際上教育改革的前沿.其名稱來源于4門學科的英文首字母，即科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)，強調多學科的交叉融合[1].STEM教育提倡的是進行學科間的交叉學習，學習一個知識點，即可以涉及到多個學科的知識.以跨學科、情境性、趣味性、體驗性等為特征，通過探究式合作學習的方式，提高學生實踐和知識遷移能力，培養學生的科學創新精神.要求學生在實際情境中，能夠靈活應用STEM知識[2].培養學生的創新能力，把學生培養成為既具有跨學科知識，又有解決實際問題能力的新型人才.結合中學物理課外實驗活動的教學模式，以“自制簡易的水火箭, 分析水火箭工作原理和射程”為例,對STEM教學理念下的中學物理課外實驗活動的教學做出說明.

2 STEM教育與自制水火箭課外活動相結合的教學流程

物理學是一門以實驗為基礎的學科，學生通過實驗可以直觀明了地發現物理現象，培養學生的興趣.水火箭的制作與發射是中學生較為感興趣的，可以利用此實驗探究牛頓第三運動定律、功能關系、反沖運動等物理知識，同時，指導學生應用物理實驗方法中的控制變量法、實驗探究法等.在教學中引入中學化學中的催化劑知識，分析催化劑對水火箭射程的影響，學生在探究催化劑對水火箭射程影響的過程中，一方面驗證了牛頓第三運動定律，解釋了動能勢能相互轉換，理解了反沖運動，另一方面學習了催化劑的相關知識，把化學中的知識運用到了實際生活中.對于傳統的水火箭制作和發射，學生也是熱情不減，中學生正處在青春期，對于一切新奇事物都懷有好奇之心，通過動手操作的實驗，學生能學到更多的東西，記憶也將更深刻.

在知識點方面，高一的同學已經學過牛頓第三運動定律，知道作用力與反作用力，對于物理知識的建構有一定的認識，高一的課堂上教師也已經講過催化劑和密度的相關知識，同時，學生在初中就了解到控制變量法，為自制簡易水火箭, 分析水火箭工作原理和射程實驗探究奠定了基礎[3].

但教學中也存在一些問題,學生平時所學的牛頓第三運動定律、反沖運動往往是抽象的，對于它們的認知僅僅停留在書本上，對于化學中催化劑的認知也僅僅停留在實驗室里的演示實驗，沒有在實際生活中感受到物理、化學的魅力.

教學流程按照創設情境、明確問題、制定方案、設計制作、實驗探究、分析交流6個階段進行，教學流程如圖1所示.

圖1 教學流程

3 STEM教育與自制水火箭課外活動的教學設計

3.1 教學目標

3.1.1 知識與技能

(1)在實際生活中體會牛頓第三運動定律，了解反沖運動的原理，通過實驗探究，了解影響水火箭發射的因素.

(2)了解化學中的催化劑與催化機制，感受化學和物理學科之間的交融.

3.1.2 過程與方法

(1)體驗影響水火箭射程因素的實驗探究過程.

(2)形成對物理現象的觀察能力和對實驗數據的分析、歸納、概括、表達能力.

3.1.3 情感態度與價值觀

(1)通過讓學生都參與到實驗探究中，增強其合作性和凝聚力.

(2)通過實驗，感受科學家對實驗規律的研究過程，學習科學家對工作嚴肅認真不怕困難的科學態度.

(3)學會欣賞物理學的簡潔美.

3.2 教學重難點

3.2.1 重點

(1)指導學生自己完成水火箭的制作.

(2)催化劑的反應原理.

(3)對牛頓第三運動定律的理解.

3.2.2 難點

牛頓第三運動定律的實際應用.

3.3 教學過程

3.3.1 課堂導入

教師活動：(1)在課堂上播放中國成功發射載人航空火箭的視頻，接著播放水火箭的發射視頻.

(2)設置疑問：為什么水火箭可以飛上天空？

學生活動：(1)觀看火箭發射視頻，感受國家科技力量的進步.(2)學生產生疑問.

設計意圖：(1)讓學生觀看現象，產生探究欲望，激起學生的學習熱情.(2)讓學生帶著疑問進入課題，啟發學生能夠獨立思考.

3.3.2 實驗講授

教師活動：給學生講解化學的催化原理.二氧化錳或者碘化鉀可以作為過氧化氫的催化劑，讓過氧化氫的分解速度加快，產生大量的氣體，催化反應方程式見下式.

KI+H2O2→KIO+H2O

學生活動：(1)學生在教師引導下對學過的知識點進行回憶.并回答“牛頓第三定律”是指：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.

(2)學生經過教師的引導，討論得出：水火箭升空是因為受到水和氣體的作用力.

設計意圖：(1)對舊知識的復習，有利于新知識的學習，新舊知識的聯系有利于學科結構的建立.

(2)通過教師的引導，學生思考，培養學生的獨立思考能力，通過教師的講授，學生可以更清楚地理解實驗原理.

3.3.3 課外實驗活動過程

教師活動：標準型的水火箭系統包括箭頭、箭體、噴嘴和尾翼幾部分.水火箭還需要發射架，其目的是安全發射、可控發射、精準發射.標準發射架系統包括剎車線、剎車把、氣管、支架、打氣筒、壓力表.

(1)水火箭箭體的制作

1)收集生活中的常見材料：準備好兩個1.2 L的空可樂瓶子，用清水洗干凈，把外標簽撕掉；準備一塊1 m×1 m的輕木板(巴爾沙木)；準備好螺紋噴嘴(安全起見，最好買一次性成型的)；準備雙面膠若干；準備熱熔膠槍一把，膠條若干，美工刀一把，記號筆一只，鉛筆一支，直尺一把.

3)導流罩做好以后，用雙面膠粘在第二個瓶子底部的周圍，再把切好的導流罩套在粘好雙面膠的底部，用力壓緊即可[4].

4)制作導流板.用鉛筆在巴爾沙木板上畫出4個規格一樣的梯形(底為15 cm，高為6 cm，兩斜邊分別為20 cm和3 cm)，接著利用美工刀沿著鉛筆線條把導流板切下，利用熱熔膠槍把導流板粘在火箭箭體離噴嘴3 cm處.

5)將螺紋噴嘴擰緊在瓶口，制作好的水火箭如圖2所示.

圖2 自制的水火箭

(2)教師先給學生準備一定量的碘化鉀(分析純)、二氧化錳(分析純)、過氧化氫若干；可以剛好塞進可樂瓶口的小塑料杯4只.

(3)指導學生完成實驗

學生活動：學生根據教師的指導進行實驗，操作如下.

1)分別準備400 mL不同密度的食鹽水.把準備好的密度為0.8的食鹽水加入1.2 L的可樂瓶中，然后將可樂瓶安裝在發射架子上，利用打氣筒向瓶內打入4.0個大氣壓的氣體，然后發射.在此條件下依次對密度為1.0,1.2,1.4,1.6的食鹽水進行發射實驗[5].

2)先把催化劑放入小塑料杯中，接著把過氧化氫溶液加入箭體內，然后把小塑料杯倒著放進去，擰緊噴嘴，最后開始向瓶內加壓，加壓時小塑料杯被推到瓶內溶液中，發生催化反應，打開手剎，發射火箭[6].

3)改變催化劑種類，不改變過氧化氫濃度，重復上述發射操作；不改變催化劑，改變過氧化氫濃度，重復上述發射操作.

4)用皮尺記錄每一次發射的距離.

設計意圖：①通過實驗來驗證物理猜想，通過物理知識來解釋物理現象,分析影響射程的因素.

②液體密度對水火箭的影響.增大液體的密度可以增加水火箭的反沖作用力，即水火箭的水平射程隨液體的密度增大而增大.

③催化劑對水火箭的影響.當碘化鉀或者二氧化錳的物質的量一定時，水火箭的水平射程隨著過氧化氫的濃度增加而增加；當過氧化氫的濃度一定時，隨著催化劑的劑量增加，水火箭發射的水平距離也在增加；同時還可以從測量發射的距離中看出碘化鉀的催化效果明顯高于二氧化錳，更適合作水火箭發射的催化劑.

3.3.4 分享總結

教師活動：(1)引導學生進行實驗總結和結果交流.

(2)對學生的總結做出點評，教師應充分肯定學生的總結，并對出現的問題進行討論、糾正.最后做出總結：在同等條件下，加入催化劑，水平射程增加較為明顯；碘化鉀的催化效果明顯高于二氧化錳，更適合作水火箭發射的催化劑[7].

學生活動：針對實驗過程中存在的問題，學生以小組的形式展開討論,一部分學生回答，一部分學生補充，形成小組間的結論.

設計意圖：通過分享交流，增強學生協作的能力，同時鞏固了知識，激發學生的學習熱情.

4 小結

對于地處邊疆少數民族地區的學生來說，面臨教學資源匱乏、教師技能不嫻熟、教學理念相對滯后的問題，把STEM教學理念應用到物理教育中，有著積極的意義.讓他們體驗到物理學習的樂趣，實驗探究的激情和團隊協作的快樂，通過類似的探究活動，可以讓學生更好地去關注生活，發現生活中的物理、化學現象.從學生的情感上、態度上改變其價值觀，讓他們對學習更有興趣，更加熱情地投入到學習中[8].

我們在云南邊疆民族中學的物理教育實習中, 將STEM教育理念融于自制水火箭課外活動中, 由于自制水火箭成本低廉，學生興趣高，可實施性較強，同時，讓物理和化學課程得到了較好的融合，提高了學生的動手能力，從真正意義上將STEM教學運用在課堂中,很大程度上提高了物理教學趣味性，培養了學生認知發展和對物理概念的理解.教學實踐表明,成效顯著,作為學生課外活動的探究，有一定的意義.