基于STEAM理念的高職物理教學設計
——以“電磁感應”為例

李 茹 馬麗娟

(南京高等職業技術學校,江蘇 南京 210019)

1 引言

職業教育的重要任務是努力提高學生的綜合素養,培養經濟和社會發展需要的創新型技能人才,服務地方產業的轉型升級。新一輪的教育改革也提倡職業學校教師指導學生進行積極主動、富有個性的學習,鼓勵學生通過質疑、調查和探究,在實踐中學習,培養學生的創新思維。職業教育作為我國教育的重要組成部分,應在教育教學方式上進行改革,適應新時代對人才提出的要求。

2 STEAM教育簡介

STEAM教育興起于國外,是指綜合科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Arts)、數學(Mathematics)的教育,目的是培養高素質的工程技術人才。國內外學者通過深入研究,證明STEAM教育更有利于培養全面發展的創新人才。

在高職物理課堂中開展基于STEAM理念的教學改革,對于培養高素質應用型人才具有必要性。教師可以利用物理課程，把電氣工程、土木工程等工程技術學科、文學藝術學科及數學學科等的知識進行整合,形成融科學、工程技術、文學藝術、數學于一體的STEAM課堂模式,改變傳統物理課堂單一的知識講授模式。基于STEAM教育理念的物理課程可以充分利用工程學科鼓勵學生動手實踐,利用數學發展學生的邏輯思維能力,利用文學藝術激發學生的想象力,三者共同作用形成合力,培養學生的創新能力和利用工程技術解決實際問題的能力,幫助學生形成專業核心素養和綜合素養,為學生的終身發展奠定基礎。

3 基于STEAM理念的五年制高職物理教學設計

根據STEAM的教育理念,五年制高職物理課程可以選擇當前的科技熱點或者具有一定難度的問題,設計出適合高職學生的學習項目,將科學、技術、工程、藝術和數學進行有機融合,以解決問題為導向,讓學生在探究與實踐過程中學習。筆者以“電磁感應”教學為例,在高職物理課程中融入STEAM理念進行實踐研究,既關注學生對物理知識的掌握,又通過跨學科知識的整合，引導學生發現、分析和解決問題，提高學生的綜合素質和創新能力。

3.1 教學內容及學情分析

學生學習了“電磁感應”一章的內容之后,已經掌握了電磁學的基本知識,此時設計STEAM學習項目比較合適,一方面可以檢驗學生物理學習的效果,另一方面,學生在探究的過程中可以充分應用工程技術、藝術和數學方面的知識,實現跨學科知識的綜合應用。

無線充電技術是近年來廣泛采用的一種充電方式,是當前的熱點技術,無線充電手機的出現和普及,使得學生對無線充電方式并不陌生，對這個學習項目具有較強的積極性和主動性。在開展STEAM學習項目之前,學生已經學習過電磁學的相關知識,在電學實驗中掌握了連接電路、使用萬用表等實驗技能，在數學課上也學過高等數學。

3.2 教學設計

物理學科本身與技術、工程、藝術和數學有較強的互通性和相關性,在高職物理課程中融入STEAM教育,可以設計探究性學習項目,通過問題引導的方式將項目分解為多個小問題,每個小問題的解決都需要掌握物理原理,并運用工程技術、藝術和數學等相關知識,不斷找出解決問題的合理方案,在探究中推進STEAM教育的順利進行。筆者設計了“探究無線充電技術”的STEAM學習項目,安排在“電磁感應”一章的教學中。

3.2.1 探究物理原理

物理學探究自然界中各種現象,從而得到科學性、規律性的認識。學生對于生活中的無線充電設備,充滿了好奇，探究欲望強烈。在“探究無線充電技術”的STEAM學習項目中,第一部分的問題就是讓學生應用所學的“電磁感應”知識，探索無線充電技術中蘊含的物理原理。

問題1:你在生活中了解到有哪些設備使用了無線充電技術?

問題2:這些無線充電的產品和充電器有怎樣的外形?你從它的外觀能猜測出它里面可能有什么裝置嗎?

問題3:根據我們學過的知識,要想產生感應電流,需要什么條件?

問題4:互感現象是怎樣產生的?

問題5:變壓器的工作原理是什么?

STEAM教育強調知識與生活的聯系,在實際的情境中對現實問題進行探索和發現。這一系列問題會激發學生的學習興趣和探究的熱情,引導學生探索無線充電技術的物理原理。

3.2.2 結合工程技術

工程技術是指人們將科學知識或技術發展的研究成果應用于生產、改造自然的手段和方法,無線充電技術是電磁感應原理的應用。在“探究無線充電技術”項目中,第二部分的任務是讓學生搭建電路,完成探究性實驗,并鼓勵學生設計一個無線充電的作品。這一部分的學習可以讓學生以小組合作方式進行,在項目研究中注重師生互動和生生互動。

本項目需要的主要實驗儀器有:可調交流電源、制作變壓器的鐵芯、滑動變阻器、開關、小燈泡、萬用電表、導線等。

問題6:根據變壓器的工作原理,畫出變壓器工作的電路圖。

問題7:影響變壓器的輸出電壓的因素有哪些?設計電路,驗證自己的猜想。

問題8:變壓器可以產生感應電流,給了你怎樣的啟發?線圈在實現手機無線充電功能時存在哪些問題?如果去掉鐵芯,副線圈中的輸出電壓會發生怎樣的變化?改變副線圈與原線圈的距離、角度等,探究副線圈輸出電壓的變化。

問題9:生活中的電磁爐給了你怎樣的啟發?據此改進線圈,設計一個能實現無線充電功能的電路,并探究影響充電效率的因素。

STEAM教育提倡跨學科的融合,鼓勵學生將掌握的知識應用于實踐,讓學生在動手動腦中培養創新思維能力。通過系列問題將物理與工程技術學科相融合,引導學生思考并完成一系列的實驗設計和操作。學生在探究和實驗的過程中,不斷發現、分析和解決實驗中遇到的各種問題,初步完成無線充電產品的制作。

3.2.3 領略藝術魅力

科學和藝術是人類文明的兩大基石,都是人類創造力和想象力的結晶,而且兩者本身也是相通的,就像硬幣的兩個面,在呈現方式上各有千秋。比如,科幻小說是一種文學藝術形式,很多科技在實現之前都曾出現在科幻小說之中。再比如,自然界中存在著大量對稱之美，這種美不僅在實際的物體中有所體現,在科學規律中也隨處可見。奧斯特發現了電流的磁效應之后,很多科學家由此受到啟發,猜想：既然電能生磁,那么磁是否也能生電呢?于是就有了法拉第電磁感應定律的發現。“探究無線充電技術”項目的第三部分就是啟發學生對產品進行藝術加工。

問題10:根據產品美學,分析目前市場上無線充電產品的外觀,并嘗試進行無線充電產品的外觀設計,畫出設計圖。

問題11:針對無線充電技術的應用及未來的發展前景,暢想未來世界中無線充電技術會給人類帶來哪些高科技產品,寫一篇科幻小說。

STEAM教育注重多角度、多維度、多學科的綜合教育,鼓勵學生發現自然界和生活中的美,重視發展學生的想象力

和創造力,人文藝術在STEAM教育中具有不可或缺的重要作用。讓學生欣賞和設計無線充電產品外觀，并暢想未來世界,將科學、工程技術和人文藝術相融合,可提高學生的藝術修養和人文素養。

3.2.4 運用數學表達

數學是研究科學的重要工具,用數學語言來表達的物理原理是非常簡潔和優美的。“探究無線充電技術”項目的第四部分是通過介紹麥克斯韋電磁場理論,讓學生體驗數學在科學研究中的重要作用。

問題12:法拉第發現了電磁感應現象,他給出的數學表達式是什么?

問題13:麥克斯韋在法拉第電磁感應定律的基礎上做了怎樣的假設,進一步完善了電磁場理論?

教師向學生介紹麥克斯韋電磁場理論,并給出麥克斯韋方程組,讓學生感受數學思想和方法之美。

學生在物理原理探究、實驗的設計和操作中都需要運用數學和邏輯推理,對電磁場理論的深入認識也離不開數學工具的應用。在STEAM教育中實現各學科與數學的融合,除了可提高學生運用數學的能力,更關鍵的是提高了學生的邏輯推理能力,使學生的思維嚴謹、具有邏輯性。

4 結語

目前,高職學校的教育還存在一些問題,例如高職學生的學習基礎相對薄弱,學習興趣不高;職業學校的教學模式以傳統的教師講授為主,學生學習的主體地位不明顯;物理的課程目標側重知識和技能,難以培養學生的綜合素養和創新能力。這些問題已嚴重制約了職業學校高素質技能型人才的培養,很難滿足新時代對高職人才的培養要求。因此,高職物理亟需在教學設計上做出創新,以滿足時代和社會發展的需要。基于STEAM教育理念,將物理與工程技術、人文藝術、數學相融合,設計一系列STEAM學習項目,可實現跨學科的綜合教育,希望可以探索出高職物理課程改革的新路。