物理核心素養(yǎng)與STEM教育理念的融合教學(xué)例析

王呈平

摘 要：物理學(xué)是一切科學(xué)、技術(shù)以及工程設(shè)計的基礎(chǔ)，而物理核心素養(yǎng)的構(gòu)建與STEM教育有著天然不可分割的聯(lián)系。物理核心素養(yǎng)中的物理觀念和科學(xué)思維是處理一切將理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)或工程的第一步。本文就如何在高中物理教學(xué)中實現(xiàn)物理核心素養(yǎng)教育并融合STEM教育理念，結(jié)合實例進行闡述。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);STEM教育;科學(xué)思維;科學(xué)素養(yǎng)

物理核心素養(yǎng)的基本要求是受教育者形成基本的物理觀念、具備科學(xué)思維和科學(xué)探究基本能力、樹立正確的科學(xué)態(tài)度和價值觀以及社會責(zé)任。STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的統(tǒng)稱，要求受教育者具備科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)。可見物理核心素養(yǎng)和STEM教育有著天然聯(lián)系。教學(xué)過程中實現(xiàn)二者的融合，可以更好地培養(yǎng)能夠適應(yīng)自身發(fā)展和社會發(fā)展需要的全面發(fā)展的人。筆者以高中物理《生活中的圓周運動》一節(jié)為例，闡述物理核心素養(yǎng)和STEM教育的素材挖掘，在教學(xué)過程中滲透科學(xué)素養(yǎng)教育。本節(jié)內(nèi)容是圓周運動的應(yīng)用課，選取的每一個例子都很有代表性。

一、鐵路的彎道

教學(xué)過程首先播放列車轉(zhuǎn)彎的視頻或者彎道處圖片。在學(xué)習(xí)了圓周運動及向心力的概念后，這個實例的分析首先交給學(xué)生從中抽象物理概念并建立物理模型，強調(diào)物理觀念和科學(xué)思維的實際應(yīng)用。學(xué)生對列車轉(zhuǎn)彎的運動容易建理圓周運動模型，但是對于圓周運動的圓心位置及向心力來源又較容易產(chǎn)生疑惑;需要教師合理引導(dǎo)學(xué)生。通過從不同視角展示列車轉(zhuǎn)彎的運動模型。顯然，這是一個水平面內(nèi)的圓周運動問題，難點在于：列車轉(zhuǎn)彎所需的向心力從哪里來和軌道圓心在什么地方。進一步讓學(xué)生自己分析轉(zhuǎn)彎的列車的受力情況。此處教師可說明沿軌道切向的牽引力和阻力對向心力沒有貢獻。

二、拱形橋與凹形橋以及航天器中的失重現(xiàn)象

學(xué)生不難看出，交通工具通過拱形橋和凹形橋的運動過程可抽象為豎直面內(nèi)的變速圓周運動。為明確應(yīng)用物理規(guī)律解決實際問題，我們只分析汽車通過橋面最高（低）點時的情況。在分析受力的情況下，聯(lián)系向心力概念不難得出速度大小與汽車隊橋面壓力的關(guān)系。我們很容易看出凸形橋和凹形橋的優(yōu)劣勢，讓學(xué)生體會工程與技術(shù)跟物理知識的緊密聯(lián)系，并思考對照生活經(jīng)驗與理論知識的統(tǒng)一。進一步的教學(xué)更加深化了物理模型的拓展應(yīng)用，此處著重分析了教材“思考與討論”問題。汽車通過橋面最高點時脫離橋面的情景討論和計算，學(xué)生容易從物理規(guī)律角度分析計算;那么將地球看做一個巨大的拱形橋，地球表面運動的物體是否可以脫離地面呢？顯然，這種情景已經(jīng)實現(xiàn)。所以將該模型應(yīng)用于航天飛機的運動，讓學(xué)生體會物理模型的奇妙之處，將“天上”和“地面”上的物體的運動規(guī)律統(tǒng)一了起來，同時順理成章地理解了航天器中的失重現(xiàn)象的本質(zhì)。此處的教學(xué)很好的融合了物理核心素養(yǎng)和STEM教育理念。

三、離心運動

離心運動的實質(zhì)是慣性的一種表現(xiàn)。實際生活中大多同學(xué)都有過這種經(jīng)歷或體驗，所以認識這種現(xiàn)象并不困難。然而如何用科學(xué)的物理概念和準(zhǔn)確的物理術(shù)語解釋和說明這種運動是難點。此處教學(xué)過程應(yīng)重點在于物理知識的進一步深化和科學(xué)思維的教育，即離心運動的本質(zhì)是慣性的表現(xiàn)，不是“離心力”的作用。此處筆者設(shè)計引入了這樣一個例題：已知對一根桿施加拉力FT，則FT與桿的截面積A之比稱為桿的抗張強度。當(dāng)拉力和截面積之比超過極限抗張強度S時，桿就會斷裂。求S=109N·m2的鋼制圓盤的極限轉(zhuǎn)速。已知該圓盤的直徑D=500mm，鋼材料的密度ρ=7.6×103kg/m3。

解析：轉(zhuǎn)動的圓盤內(nèi)部各質(zhì)元都做圓周運動。設(shè)一個半徑為R，厚度為a的該鋼制圓盤。在圓盤上任取一個半徑為r（r

ds=rdθ? ?dm=padrds=pardrdθ

它所需向心力 F=rω2dm=r2ω2padrdθ

而其他質(zhì)元對它的作用應(yīng)力情況如圖1所示，可知，這對應(yīng)力的合力F指向盤心，有：

當(dāng)dθ足夠小時，? ? ?，聯(lián)立可得：

記轉(zhuǎn)速為n，則有? ? ，則

可見，F(xiàn)T與r2成正比，顯然應(yīng)力最大處在圓盤邊緣，最大的應(yīng)力

圓盤的極限抗張強度

由此求出極限轉(zhuǎn)速

代入已知數(shù)據(jù)解得：

當(dāng)轉(zhuǎn)動的物體轉(zhuǎn)速過高時會因應(yīng)力過大而斷裂，所以在工程設(shè)計過程中應(yīng)合理選擇材料，嚴(yán)格計算極限轉(zhuǎn)速，規(guī)定安全使用轉(zhuǎn)速不能高于極限轉(zhuǎn)速，保證安全生產(chǎn)和使用。

伴隨著人類社會的變革與進步，教育也必將首當(dāng)其沖面臨新的變革以適應(yīng)未來社會的需要。物理核心素養(yǎng)教育和STEM教育的核心價值也正在于此。物理核心素養(yǎng)教育和STEM教育里面最困難的一部分是整合教育資源，挖掘教育素材。很多時候整合的概念不僅是看表面，還應(yīng)該注重實際內(nèi)容的連接程度。用科學(xué)探究和工程設(shè)計為基礎(chǔ)，科技素養(yǎng)和數(shù)學(xué)思維為輔助，真實情景連接各部分。