基于物理核心素養下的STEM教學設計

付天宇　張迪

摘 要：當今社會越來越重視培養綜合性人才，所以STEM教育得到了大家的關注.STEM教育是指科學、技術、工程、數學教育的統稱.在展示培養學生物理核心素養的基礎上，依據STEM教育理念，以高中物理“水火箭”的制作為例，進行教學設計.

關鍵詞：STEM教育理念;水火箭;教學設計

文章編號：1008-4134（2019）19-0030中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

STEM教育理念是由美國國家科學基金會于20世紀90年代提出的，即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）教育的統稱，是將多門學科知識融會貫通的綜合性教育.現在大多數學生認為初高中階段學習的科目沒有太大的意義，這是因為在日常的教學中，常常將不同的科目過度分裂、劃清界限.只注重本學科的知識內容，而忽略其他學科與本學科的聯系.將科學、技術、工程、數學相輔相成、融會貫通，致力于培養復合型人才.只有真正做到STEM教學實踐，才能使得學生實現更有意義的學習.

隨著2017版新課程目標的出爐，提出的物理學科核心素養包含四個方面：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度和責任.核心素養既是知識、方法和態度等方面的整體表現，又是知識、方法和態度等各個方面的融會貫通.標志著不僅要打造以“教師主導，學生主體”的課堂，還要更加注重學生的身心發展.為了使教學課堂更為高效，教師務必在物理學科核心素養的要求下，完善現有的教學課堂.那么如何使得教學課堂更加高效呢？筆者認為，新課程標準中的這些理念和STEM教育理念是一致的.基于物理學科核心素養的培養來開展STEM課堂教學，完善學生知識結構，培養學生創新意識，加強學生動手實踐能力.筆者設計了如下體現STEM教育理念的物理教學模型，如圖1所示.

本文以“水火箭”為例，闡述“水火箭”的教學目標、設計思路、教學過程，展示如何將科學、技術、工程、數學融入物理課堂的具體流程，使學生充分發展科學、技術、工程、數學的綜合素質，提高學生的物理核心素養.

1 基于物理核心素養設定的教學目標

物理觀念：運用牛頓第三定律、動量守恒定律、能量守恒定律等物理知識分析水火箭運動原因，進而正確理解“反沖”定義.

科學思維：（1）通過探究水火箭獲得速度與哪些因素有關，鍛煉控制變量法的思維邏輯;（2）通過設計并制作水火箭培養動手操作能力，形成模型構建思維;（3）通過探討水火箭制作過程中可能會出現的問題，發展科學推理探究思維.

科學探究：經歷“探究水火箭升空原因以及飛行高度、速度與哪些因素有關”的探究過程，能運用控制變量法制定方案，能合理選擇實驗器材進行實驗，并獲得實驗數據，能正確處理實驗數據，最終獲得精準的實驗結果.

科學態度與責任：（1）通過自己動手操作實驗、制作水火箭得到對物理學科的自豪感與滿足感;（2）通過觀看神州火箭升空視頻，加強愛國主義情懷;（3）學會與他人交流合作;（4）發散思維，善于觀察生活，將生活中的廢品變廢為寶.

2 設計思路

本節STEM課程，以“如何制作水火箭”為主線問題，采用小組交流合作的學法，學生在設計實驗進行實驗探究的同時，將科學、技術、工程、數學四個方面滲透到實驗的各個角落.在科學層面上學生能夠自主設計方案，并且掌握動量守恒定律、能量守恒定律、力的平衡原理、壓強差的知識等，達到學以致用、活學活用的教學效果.在技術、工程層面上，如何讓水火箭發射的速度更大、發射的距離更遠、發射的高度更高？這些問題都需要在設計實驗、制作水火箭時注意，并得到解決.在數學層面上，運用秒表、尺子、量角器、秤等度量工具，用來計算水火箭的具體參數.

3 教學設計

3.1 學生分組

基于以上設計思路，可以將全班40名學生，每組4個人，共分成10組進行授課.

3.2 創設情景，提出任務

視頻引入：觀看神州火箭發射的視頻，聚焦問題，提出任務.

講述并提問：為什么火箭能夠升空呢？

學生回答：依據動量守恒，噴氣前的火箭動量為零，噴氣后火箭和燃氣的總動量仍舊為零.還運用了反沖的原理.火箭是依靠噴氣流的反沖作用從而獲得巨大的速度.氣流給地面向下的力，地面反作用使得氣流產生向上的力，從而推動火箭升空.

設計意圖：通過視頻導入，激發學生的好奇心和學習興趣.觀看神州火箭發射升空的片段也會增強學生的愛國情感.

講述：首先由教師向學生展示已經制作完成的水火箭（利用廢棄的飲料瓶制作成動力艙、箭體、箭頭、尾翼等），并且播放提前錄制好的水火箭發射視頻.將實物與視頻相結合，講解水火箭的原理：將動力艙中灌入適當質量的水，利用打氣筒充入空氣超過臨界壓力值后發射.壓力空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速噴出，在反作用力下，火箭快速上升.

提出任務：請同學們利用8個不同形狀500ml的飲料瓶或礦泉水瓶、剪刀、單面刀片、木（皮、軟膠）塞、球類氣針、圓珠筆芯、氣門芯、訂書機、X光片、雙面膠、彩色裝飾紙等制作簡易水火箭.

經過師生探討后，確定以下五個關鍵的問題：

（1）選擇哪種類型的瓶子作為水火箭的主體？

學生討論與交流，動手實驗后得到：水火箭的主體應該選擇雪碧飲料瓶.因為雪碧飲料瓶的上半體是上下等截面的圓柱體，沒有過大的弧度，是較為理想的流線型.并且碳酸飲料的瓶體耐壓性比較好，比普通的礦泉水瓶的瓶壁稍厚一些.（提高技術、工程素養）

（2）如何保證噴嘴的密閉性？

學生討論與交流，動手實驗后得到：在制作過程當中，噴口的密封性是最為重要的，密封一定要好，否則將不能為水火箭提供良好的壓力，導致水火箭實驗失敗.即使氣針在木塞中，也要同時保證密不透水，所以可以用燒紅的針尖穿洞.（提高技術、工程素養）

（3）機翼的安裝是否有必要？

學生討論與交流，動手實驗后得到：機翼的安裝是十分有必要的，并且安裝的高度、四個機翼相對安裝的位置、是否對稱等問題都關系到水火箭本身能否保持直線運行.（提高科學素養）

（4）動力艙中水和空氣的比例應該是多少？

學生討論與交流，動手實驗后得到：水火箭用水量不能過多也不能過少，因為水是“火箭”的燃料，燃料的多少關乎到水火箭能否正常運行.最佳用水量經過多次試驗后發現應為火箭容積的1/4～2/5之間.假如瓶中氣體過量，那么相應的水的體積就一定會減小，氣體所具有的最大勢能就相對來說比較大.設水的質量為m，水火箭的總質量為M.規定向下為正方向，水噴射時速度為V1，水火箭發射時的初速度為V2.那么水的動量應為mV1，水火箭獲得的動量為-MV2.根據牛頓第三定律可知水火箭受到反作用力的效果，水火箭被發射.根據動量守恒原理可知，mV1-MV2=0，由于水所占的體積較小，mM，所以V1V2，水火箭獲得的速度比較小，最終結果是制作的水火箭飛不遠.假如瓶內氣體過少，則相應水所占體積就會增大.瓶內氣體所占體積小，所能供應的能量本身就很少，又無法立即將瓶內的水全部排除干凈，這樣水火箭將會帶著動力艙中剩余的水繼續飛行，因為水火箭本身的質量加上動力艙中剩余的水質量過大，最終結果也是制作的水火箭無法飛得很遠.（提高科學、技術、工程、數學素養）

（5）最佳的發射角度應該是多少？

學生討論與交流，動手實驗后得到：水平方向飛行，因為空氣阻力的存在，發射的最佳角度應在50～55度之間，這需要我們將發射臺的傾斜角度調整到最佳.不同的水火箭發射最佳角度可能不同，可以通過控制變量法進行實驗確定.豎直方向飛行則為90度.（提高技術、工程、數學素養）

設計意圖：探討制作水火箭過程中出現的關鍵問題，對制作過程中出現的問題進行反復的質疑討論最終得到解決方案，從而形成學生完整的邏輯思維，培養學生動手能力.

3.3 改進水火箭制作、進行小組比賽

最后在操場上各個小組利用制作完成的水火箭進行比賽，比一比哪一組的射程最遠？高度最高？再經過上述五個問題的解決，對水火箭進一步完善：噴嘴的密閉性、機翼位置保持對稱、改變動力艙中水和空氣的比例關系、調整發射角度等.

設計意圖：通過比賽的方式激發學生的求知心，達到寓教于樂、活學活用的教學效果.比賽結果不僅僅代表水火箭的的射程、高度，更代表的是學生對于知識的掌握以及應用情況.在教學中不要局限于課堂中的實驗，也要將眼光放得長遠些，給予學生更多的發揮空間，將物理學科與其他學科進行有機融合.

4 教學總結與反思

S（科學）：制作水火箭中涉及的科學原理為：動量守恒、能量守恒、力的平衡、壓強差、空氣阻力等.

T（技術）：選擇哪種瓶子作為水火箭的本體？本體與動力艙應該怎樣固定？機翼的安裝位置應該注意什么？怎樣保證噴嘴的密閉性？動力艙中水和空氣的比例應該是多少？發射角度范圍是多少？制作的過程中用到哪些工具？先做哪一步？再做哪一步？對以上問題的思考都能夠培養學生的技術素養.

E（工程）：學生經歷懂得原理—明確目標—理清思路—提出質疑—驗證猜想—設計實驗—動手操作—分析結果—得出結論完整的實驗過程，這些步驟都體現了工程學的特點，從而培養了學生的工程素養.

M（數學）：學生通過動量守恒定律的計算分析得出水火箭最佳配重比，切身體驗水火箭的發射距離以及高度，靈活運用數學計算、測量工具培養學生的數學素養.

通過本節課，我們可以看到STEM教育理念在激發學生動手能力等方面有極大的效果，將STEM的教學理念滲透到每一處教學實踐中.制作水火箭的過程中，不僅給學生更大的想象空間也給學生更大的制作發揮空間，激發學生對物理學科的興趣以及熱愛.水火箭發射的一瞬間代表了知識的升華，由間接經驗過度為直接經驗，由理性認識轉變為感性認識.將科學、技術、工程、數學四個方面融為一體，合理地將當下課堂進行變革.本次教學設計因受內容難度、課堂時間、場地限制等影響仍有待提升.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-07-05）