STEAM教育理念下高中物理實驗設計

摘 要：以Tracker軟件探究單擺運動規律，跨學科綜合運用物理、技術、工程和數學知識，對數據進行擬合處理，并對結果作簡要分析，在STEAM教育理念的指導下，通過多學科的整合，以學生為主體，充分發揮學生的主動性培養學生的創新思維和實踐能力，對基礎教育物理實驗的改革起到拋磚引玉的作用.

關鍵詞：STEAM教育;Tracker;單擺

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0045-03

作者簡介：許文龍（1977-），男，浙江瑞安人，碩士，中學高級教師，研究方向：物理課程與教學、物理競賽.

目前世界各國正在進入新一輪的競爭，紛紛出臺了各種國家戰略，以應對新技術發展與產業革命.在這種競爭中誰能勝出，關鍵在于人才.世界各國非常重視人才的培養，尤其是STEAM人才的培養，各國均站在國家發展戰略的高度來看待STEAM教育的重要性.物理實驗是基礎教育的重要組成部分，它影響學生的實踐能力和科學觀的培養，影響新課程核心素養理念的落實.基礎教育物理實驗教學急需新教育理念的引領，而STEAM教育正順應了這樣的需求.

1 STEAM教育理念

STEAM教育在原有STEM教育基礎上加入了藝術（Art），是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathmatics）英語首字母的縮寫.STEAM將原本分散的五門學科集合成一個整體，分別代表著五類素養，分別是科學素養、技術素養、工程素養、藝術素養和數學素養.它有助于學生從更多視角認識不同學科間的聯系，提高自身綜合運用知識解決現實問題的能力.

STEAM教育主要以基于項目的學習、問題的學習為主要教學（學習）的方式認識世界，以綜合創新的形式改造世界，培養學生解決問題的創新能力，引導學生通過合作與實踐，完成主題項目和解決生活中遇到的難題.作為一種超越傳統的教育模式，它引導學生適應不斷更新的專業知識和快速變化的社會生活.

將STEAM教育理念融入基礎物理實驗教學中，可以有效改善常態基礎物理實驗教學的弊端.STEAM教育理念下的基礎物理實驗教學需要在教學過程中滲透基于物理學的技術應用和工程建模、注重數學運算、聯系物理學前沿動態以及現代技術等，對教學內容進行適當重組和擴展，引導學生將物理與技術、工程、藝術及數學進行有機整合，提高學生的綜合素養.

2 STEAM教育理念下物理實驗教學的改進

利用Tracker探究單擺運動規律是高中物理基本實驗的拓展，它對學生通過單擺運動圖像深化理解單擺的運動規律和培養學生實驗創新意識、數字化實驗能力有很好的輔助作用.本文以STEAM教育理念為切入點，結合基于Tracker探究單擺運動規律實驗案例，探討如何在STEAM教育理念指導下開展物理實驗課程教學的創新設計.利用Tracker深度探究單擺運動規律，突出體現STEAM教育的綜合性、探究性、自主性、互助性、實踐性和創新性等特征.

2.1 傳統實驗裝置及其不足

傳統實驗利用漏斗一邊來回擺動一邊勻速拉動漏斗下方的硬紙板，觀察漏斗所漏出的細沙在硬紙板上留下的痕跡來研究單擺的運動規律.實驗原理是用硬紙板的勻速運動的位移等效代替單擺運動的時間，用漏斗左右擺動表征單擺的位移，如圖1所示.

使用沙漏演示單擺運動規律的方法雖然簡單易操作，但其精確度不夠，適合半定量探究，其誤差主要來源于“漏沙”過程中沙粒運動的影響及難以控制的硬紙板勻速前進.這種裝置和實驗方法不利于培養學生運用跨學科知識分析解決問題的能力，難以有效落實新課程理念下的核心素養目標.

2.2 改進實驗培養學生的綜合素養

用手機拍攝單擺運動視頻，利用Tracker軟件分析擺球運動擬合出單擺運動的圖像.Tracker是一款視頻分析軟件，是由美國卡里洛大學的道格拉斯·布朗教授開發，Tracker通過分析所拍攝的視頻，追蹤選定對象的運動軌跡，就可以快捷地進行數據分析，歸納物理規律，并允許用戶建立自己的運動學或動力學模型進行模擬實驗.Tracker已成功用于運動學、動力學，甚至光譜分析等領域的實驗研究.軟件界面如圖2所示，所用到的器材有手機（相機）、直尺、小球和細繩等.

該實驗方法充分體現了學科知識的整合取向，實驗過程要求學生綜合運用物理、數學、工程、技術等學科知識處理數據得出規律，培養學生的科學素養、技術素養、工程素養和數學素養.STEAM教學以準確的科學原理為依托，掌握各學科基礎知識仍然是開展STEAM教學的前提，因此在這一實驗中，學生必須提前了解單擺運動的相關知識，這也說明了STEAM教學設計很重要.

2.3 實驗步驟及數據擬合處理

在純色背景墻上確定好標尺，比如黑板面上，學生用手抓住細繩上端，細繩長25cm，繩下端系住一個小球，用手機拍攝小球在豎直面內擺動的短視頻，通過微信、QQ、APP等將短視頻發送到電腦，在電腦上運行Tracker軟件，點擊左上角菜單：文件—打開，載入短視頻進行分析處理.具體步驟如下：

（1）=1＼*GB3單擊Tracker軟件：新建—定標桿.將此標桿上的數字改成0.25單位為m，并將標桿鎖定隱藏.

（2）=2＼*GB3單擊直角坐標軸.按住坐標軸拖動它，將坐標軸的原點拖到擺球運動的最低點，作為描繪單擺運動的坐標原點，鎖定并隱藏坐標軸.移動黑三角形（▲）選擇跟蹤的視頻范圍.

（3）=3＼*GB3單擊按鈕創建—質點，創建一個“質量A”，單擊菜單中的自動追蹤，根據提示將紅色方形虛線框縮小到剛好容納小球的大小，單擊搜索按鈕，追蹤分析視頻得到結果如圖3所示.

（4）=4＼*GB3在圖3右側上方波形上點鼠標右鍵，選擇“分析”—“擬合”，選擇擬合曲線為x=x0+A*sin（B*t+C），設置合理參數后得到圖4所示的擬合結果.從圖4看出擬合曲線與實際測量數據點吻合得相當好，其初始位移偏差x0=3.086×10-3m，相位C=1.136，振幅A=3.261×10-2m.從圖4波形中得出其周期T=1s.根據單擺周期公式，擺長25cm的單擺，其周期為T=2π lg≈1s.

3 STEAM教育理念下實驗結果分析

改進后的實驗比原先的更能體現綜合性和新穎性，需要學生運用多學科素養才能開展探究，體現跨學科特性.實驗數據的采集由計算機完成，精度高，誤差小，實驗結果直觀.在實驗設計方面，基于STEAM教育理念，結合工程、信息技術及數學知識進行設計并開展探究，所涉及的STEAM知識見表1.與傳統基于“沙漏”的實驗相比，學生花費更多時間進行自主思考與探究，培養了學生的創新能力、數字化實驗能力，激發了學生的學習熱情，調動學生學習的積極性.改進后的實驗方案簡單易行，可讓學生在課堂合作探究：一個學生拿著單擺在黑板前擺動，另一個學生用手機（相機）拍攝短視頻，然后由學生導入電腦進行數據擬合，處理過程與結果直接通過多媒體展示給全班學生.真正實現了信息技術與傳統實驗技術的整合，培養學生合作探究精神和能力，有利于學生將理論知識的學習與實踐探究更好地結合.

基于STEAM教育理念的物理實驗在課程設計和教學質量上均有明顯優勢，但改進后的物理實驗，課程任務周期長，占用教學時間多，而且需要教師和學生熟悉技術和工程方面的知識，這使得STEAM教育理念在當前階段難以得到廣泛應用，因此，可將其作為綜合實踐類和探究類物理實驗課程開設.

4 結束語

基于STEAM教育理念的物理實驗與傳統常態物理實驗不同，它不再限于學科本身，而是將技術、工程、藝術和數學與高中物理相結合.STEAM理念不僅體現在實驗方案的選擇、實驗裝置的設計上，也體現在實驗過程中，鼓勵學生通過合作與交流進行探究，把學生的學習和跨學科課程設計相結合，為探究基礎物理實驗教學的創新和改革提供新思路與新方向.

參考文獻：

[1]段雨薇.探索STEAM教育項目樣態 助推科技教育創新變革[J].中學物理，2019，37（23）：5-8.

[2]段雨薇.基于STEAM理念的物理實驗課程實踐——STEM教育視角下《超重》教學案例[J].中學物理，2018，36（23）：44-47.

（收稿日期：2020-11-11）