基于STEM理念的高中物理實驗裝置的開發*

洪華標

(梅州市教學研究室 廣東 梅州 514021)

宋劉影 馮永慶

(梅縣東山中學 廣東 梅州 514017)

1 物理實驗融入STEM教育理念的必要性

傳統教育把課程按不同學科劃分，其優點是有利于知識的條理化、邏輯化，便于學生吸收掌握,其弊端是導致學科之間彼此孤立、相互分離，缺乏相互協調與橫向聯系，不利于對知識體系從整體上把握，割裂了教育和真實世界的有機聯系.這就導致學生在面對實際生活問題時無從下手，應用單一學科知識無法解決實際問題，會讓學生產生學無所用的錯覺，不利于培養學生的學習興趣，不利于培養創新人才.

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出要通過創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，培養和發展學生的學科核心素養[1].如何落實課程標準的要求，培養創新人才，筆者認為基于STEM教育理念開發高中物理創新實驗是可行之路.物理是一門實踐性較強的學科，在物理實驗教學中融入STEM教育理念具有天然優勢.

STEM教育理念最早是由美國國家科學基金會(NSF)提出的一種融合了科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)與數學(Mathematics)4門學科的跨學科教育理念，其宗旨是打破學科之間的隔閡，培養青少年的核心素養[2].STEM教育是在學習單一學科的理論基礎之上，進行跨學科學習，通過團隊合作，解決實際問題，將學科知識與生活實際相結合的學習過程.STEM教育有助于破除分科教學帶來學科之間知識相互割離，缺乏系統性的弊端.有研究指出：“以作品開發為取向的STEM教育理念融入中學物理課堂教學，是對課堂中已有科學探究的補充，學生通過實踐，能更好地培養動手能力，更好地培養綜合素質.”[3]筆者所在的研究團隊融合STEM教育理念對現有的高中物理實驗進行改良、革新或創造，目前積累了一些經驗，現整理成文，以飧讀者.

2 高中物理創新實驗裝置的開發實踐

基于STEM教育理念的作品開發取向，近幾年筆者所在的研究團隊側重開發高中物理創新實驗裝置，以彌補傳統物理課堂最為缺乏的工程教育和技術教育.結合當前高中物理實驗呈現現象顯著化、研究定量化、測量精準化、開展生活化的發展趨勢，研究團隊開發了4套創新實驗裝置.

2.1 楞次定律示教板 創新現象呈現 變細微為顯著

對于一些實驗現象不易觀察的實驗，通過改進器材，或重新進行實驗設計，使細微的實驗現象顯著化，便于學生觀察，從而改善教學效果.例如,目前人教版教材中探究楞次定律的演示實驗，利用磁鐵插入和拔出線圈,通過觀察電流表指針的偏轉方向來確定感應電流的方向，進而來判斷感應電流的磁場方向,從而分析得出楞次定律.上述實驗存在以下兩個不足：(1)利用電流表的偏轉方向來判斷感應電流方向既復雜又抽象；(2)磁鐵插入和拔出線圈時指針發生偏轉，但很快又會回擺，會有學生混淆指針的擺向.為了解決以上不足，我們開發了楞次定律示教板[4]，如圖1所示.通過紅藍二極管的發光情況來展示感應電流的方向.我們繞制了5 000 匝的大線圈，采用圓柱形釹鐵硼超強磁鐵(比普通磁鐵強10倍左右)；紅、藍2個 二極管LED燈分別焊在鋁塑板上，如圖所示連接電路，利用二極管的單向導電性，在LED 燈并聯反接的實驗電路中，每次磁鐵插入和拔出線圈時產生的感應電流只能使其中一只二極管發光，根據二極管發光顏色判斷感應電流的方向，進而判斷出感應電流的磁場方向，最終歸納總結得出楞次定律.當強磁鐵插入和拔出線圈時，紅、藍色二極管發光亮度高，實驗現象明顯，能較好地引起學生興趣，演示效果好.

圖1 楞次定律示教板

2.2 磁感應強度測量儀 創新研究方向 變定性為定量

圖2 電流杠桿天平

圖3 磁感應強度表

該實驗的創新之處在于：在電流杠桿天平上可直觀讀出線圈所受安培力的大小，在磁感應強度表上可直觀顯示線圈所處位置的磁感應強度大小，實現了定量研究的目的.用該裝置進行實驗，現象清楚直觀，結果準確度高，能有效加深學生對磁場、安培力、力矩平衡等知識的理解.

2.3 重力加速度測量儀 創新測量手段 變粗糙為精準

隨著現代信息技術在中學教學領域的深入推廣，相較于傳統的物理實驗教學，數字化技術下的實驗研究與創新有其獨特的優越性.探索實驗精確化條件并加以有效控制，引導實驗朝著需要的方向發展，是高中物理實驗創新的重要方向.

例如,我們開發的重力加速度測量儀測量本地的重力加速度，如圖4所示. 為精確地采集和處理數據，我們采用Tracker軟件追蹤小球自由下落的軌跡，通過軟件擬合小球自由下落的位移時間圖像，分析曲線方程得出小球下落的加速度.為方便Tracker軟件快捷的選定標尺，需要制作實驗背景板，規格50 cm×80 cm.由于小球的顏色是黑色，為加大落體小球和背景的色差，背景板的顏色選擇白色.在背景板上按1∶1比例將米尺畫在背景板中央，尺子的顏色采用亮黃色，同時制作了支架，既可以固定背景板，又可以方便移動.

圖4 落體儀

為遙控小球的自由下落，在落體支架的頂端固定了規格為吸力3 kg，工作電壓為DC6 V的電磁鐵，并將該電磁鐵與單片機中的紅外接收端口焊接在一起，用充電寶給單片機供電.通過使用單片機的紅外遙控功能，實現對小球自由下落的遠距離控制，提高了實驗的可操作性、可重復性以及便捷性[6].實驗采用Tracker視頻分析軟件對小球下落中的數據進行采集和擬合，得到圖5所示的曲線，其擬合方程為y=4.898t2+0.378t+0.004 025，方程中t2的系數表示重力加速度的一半，由此得出小球下落時加速度為9.796 m/s2.本地地處北緯24.19°，東經116.07°，將ψ=24.19°代入重力加速度理論公式(1979年修訂公式)得：g=9.780 3(1+0.005 302 4

sin2ψ-0.000 005sin22ψ) m/s2，得到本地重力加速度理論值為9.789 m/s2，實驗值與理論值誤差不到1‰ .

2.4 電磁感應演示平臺 創新器材選取 變物品為器材

新課標指出教師要利用日常用品改進實驗或者開發新實驗[1].教師要有意識地對生活物品進行合理收集、巧妙選擇、制作加工并加以應用，使之成為實驗器材，讓物理實驗的開展生活化，使學生有更多動手做實驗的機會，以更好地培養和發展學生的實驗技能、創新能力.物理實驗生活化具有趣聞性強、取材容易、成本低廉、制作簡便的特點，是一種最直接的創新活動，非常適合學生創新精神和動手實踐能力的培養.

例如,研究團隊利用生活中常見的電磁爐開發電磁感應演示平臺，選用的物品主要有：家用電磁爐一臺、自制線圈、條形磁鐵、小磁針、發光二極管、教學用多用電表一個(可測電流、微電流、電壓)、平底鍋、易拉罐等.電磁爐接通電源后，高頻交變電源通過陶瓷板下方的扁平螺旋狀的環形線圈形成高頻交變磁場，該磁場作用于線圈便能在線圈中產生感生電動勢.

利用電磁爐的勵磁線圈能產生交變磁場這一特性做物理實驗，不僅取材方便，而且能探究很多的實驗問題，我們可以指導學生完成如下任務：(1)繞制線圈，實現磁生電，如圖6所示；(2)設計方案，探究通電線圈對小磁針的作用力方向和磁鐵方向的關系；(3)繞制匝數不同的線圈組，探究電動勢的大小與線圈匝數的關系，如圖7所示；(4)設計方案，探究通電線圈對磁鐵的作用力大小和電流大小的關系；(5)設計方案，研究電磁阻尼、電磁炮模型……

圖6 磁生電 圖7 探究電動勢與線圈匝數關系

這些有趣的創新探究實驗能較好地培養學生們的學習興趣和創新意識.

以上是研究團隊開發的4個創新實驗裝置，STEM要素融合情況如表1所示.

表1 STEM要素融合一覽表

3 結束語

在物理實驗教學中，教師結合不同學情，指導學生不同程度地參與基于STEM教育理念的高中物理創新實驗裝置的開發過程，并用之完成相應實驗，將有助于培養學生的主體參與意識，激發學生學習物理的熱情，有助于提升學生的物理學科核心素養，有助于培養學生的創新思維和創新能力，值得廣大同行借鑒.