基于STEM的物理學科項目式學習的實踐與探索

艾蒂 韓敘虹

摘 要：STEM教學是以工程問題為主線，運用科學、數(shù)學等學科知識，通過技術(shù)達成目標的教學.以“制作投石車”為例，詳細闡述了基于STEM的物理學科項目式學習的具體實施過程和設(shè)計意圖，說明STEM教學有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力.

關(guān)鍵詞：STEM;核心素養(yǎng);拋體運動;項目式教學

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0039-03

基金項目：全國教育科學“十三五”規(guī)劃課題2017年度教育部重點課題“基于STEM的高中物理實驗教學研究”（項目編號：DHA170401）.

作者簡介：艾蒂（1988-），男，北京人，本科，中學一級教師，研究方向：物理核心素養(yǎng)理論及物理教學設(shè)計與實踐;

韓敘虹（1971-），女，浙江溫州人，教育碩士，中學特級教師，研究方向：物理教學設(shè)計與實踐.

1 項目學習背景

為促進21世紀人才的培養(yǎng)，發(fā)展學生核心素養(yǎng)已成為各國教育的共識，如OECD（經(jīng)濟合作與發(fā)展組織）提出的“核心素養(yǎng)”結(jié)構(gòu)模型，歐盟倡導的“終身學習核心素養(yǎng)”體系，以及美國提出的“世紀技能”等.據(jù)此，我國基于個人終身發(fā)展和國家社會發(fā)展對公民的需求，提出了“人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新”六大學生發(fā)展核心素養(yǎng)，成為我國新世紀教育立德樹人的風向標.

基于發(fā)展學生核心素養(yǎng)的國際浪潮，各國紛紛提出了相應的教育理念和舉措，STEM教育則是國際探索21 世紀人才培養(yǎng)的重要戰(zhàn)略之一，旨在加強科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學（Mathematics）教育，以培養(yǎng)高科技人才來增強各國的國際競爭力.SIEM教育以數(shù)學為基礎(chǔ)，通過工程解讀科學和技術(shù).具體而言，STEM教育為學生提供逼近真實、富有現(xiàn)實意義的學習情境，一方面有利于學生積極主動地參與到物理教學和社會實踐中來，培養(yǎng)他們的主觀能動性，使他們形成敏銳的觀察力和較強的邏輯思維能力，學會獨立思考，勇于探究;另一方面，培養(yǎng)學生運用工程的理念去分析、處理實際問題，以利于學生高階思維與積極情感的投入，解決復雜問題，從而全面提升學生的知識、能力與情感方面的核心素養(yǎng).

基于上述背景，筆者設(shè)計開發(fā)了基于STEM的物理學科項目式學習案例“制作投石車”，本節(jié)是在高一學生學習了拋體運動知識之后開展教學的，選材源于實際生活，滲透STEM教育理念，體現(xiàn)物理學科特點的同時，較好地將數(shù)學、工程和技術(shù)學科的內(nèi)容進行有效整合;基于項目式的學習方式，能充分調(diào)動學生的積極性;采取問題驅(qū)動課堂的方式，本節(jié)以問題鏈貫穿始終，同時注重小組合作，讓學生在協(xié)作中促進自身跨學科整合能力、問題解決能力以及科學思維的發(fā)展，學生獲得感強.

2 觀看視頻，引出課題

展示電視劇《三國演義》片斷：官渡之戰(zhàn)中曹操下令用投石車攻城的場景.

師：在史書《三國志·魏志·袁紹傳》中有這樣一段話：“太祖（曹操）乃為發(fā)石車，擊（袁）紹樓，皆破.紹眾號曰霹靂車.”這是我國史書中第一次有明確記載使用了投石車的戰(zhàn)例.它可以證明三國時期確實存在投石車，并且投石車的作用是很大的.

問：投石車有什么樣的結(jié)構(gòu)，它是怎樣工作的？我們能否制作一臺投石車模型，模擬三國時期的攻城大戰(zhàn)？

設(shè)計意圖：激發(fā)學生學習興趣和探究欲望.

3 實施過程

3.1 問題1：投石車是何種杠桿

問：請同學們觀察中國古代投石車示意圖（如圖1），思考投石車是什么杠桿？

學生小組討論，形成以下觀點.

觀點一：省力杠桿.之所以用投石車代替人力扔石彈，正是基于投石車能幫助人們省力將石彈擲出更遠的距離.

觀點二：從示意圖上，觀察到能使杠桿轉(zhuǎn)動的力是人的拉力，拉力的力臂比較短;阻礙杠桿轉(zhuǎn)動的是石彈的壓力，壓力的力臂比較長，故是費力杠桿.

觀點三：由于杠桿兩端點做繞同軸傳動的圓周運動，故角速度相同，為了使石彈獲得較大的線速度，可以考慮將放石彈的一端的半徑（力臂）增大.由v=ωr可知，角速度相同的情況下，半徑越大，線速度越大.因此，阻力臂大于動力臂，投石車是一個費力杠桿.

設(shè)計意圖：通過分析投石車是什么杠桿，培養(yǎng)學生科學推理的思維.從線速度的角度分析杠桿問題，不同于以往從力的角度分析，旨在培養(yǎng)學生多角度看待問題的習慣.

3.2 問題2：投射角度設(shè)計

學生建模：石彈可看成體積不計的質(zhì)點，在同一位置以相同速率向不同方向運動，且不計空氣阻力.

提出問題：石彈運動到與初始位置在同一水平面時的水平位移與投射角度之間有什么關(guān)系？

學生分析：我們采用運動的合成與分解的研究方法：水平方向是勻速直線運動，豎直方向是僅在重力作用下的勻變速直線運動.

畫出示意圖（如圖2）.

理論探究：

豎直方向列式

t=v0sinθ-（-v0sinθ）g

=2v0sinθg

水平方向列式

x=tv0cosθ=2v20sinθcosθg=v20sin（2θ）g

得出結(jié)論：當初速度與水平方向夾角為45°時，水平位移有最大值.

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學生忽略次要因素、突出主要因素的能力，把復雜投石車的現(xiàn)實問題，轉(zhuǎn)變成理想化的模型，從而分析出最佳的投射角度.培養(yǎng)學生用運動分解的方法解決問題，培養(yǎng)學生的數(shù)學與物理相結(jié)合的學科融合能力.

3.3 問題3：橡皮筋設(shè)計

學生分析：橡皮筋為杠桿轉(zhuǎn)動提供動力，為使杠桿轉(zhuǎn)動獲得更大的速度，需要橡皮筋彈力的力臂最大.如圖3所示，當橡皮筋彈力方向與杠桿垂直時，支點到動力的作用線的距離最大，力臂最大.

由于橡皮筋另一端是固定的，在杠桿轉(zhuǎn)動過程中，彈力的方向不能總保持與杠桿垂直.因此我們可以在杠桿運動到其轉(zhuǎn)動范圍中間時，讓此時的彈力垂直杠桿.

為了讓橡皮筋的彈性勢能盡可能地全部釋放出去，在石彈釋放瞬間，橡皮筋應該處于原長狀態(tài).所以我們應該確定杠桿支點的位置，以確定橡皮筋另一端固定的位置.

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學生將所學的物理知識遷移到真實的情境之中.體會到物理與人類社會的密切聯(lián)系，認識到物理知識的價值，增進物理學習的興趣.

3.4 問題4：石彈兜形狀設(shè)計

問：石彈兜是杠桿上放置石彈的裝置，如果石彈兜做成一個小盒子可以嗎？

生：應該可以.

實驗演示：如圖4，教師用自己制作的投石車演示，用一個粉筆頭充當石彈，當用較小的彈力投石時，石彈做了一個較小的拋物線，當用較大的彈力投石時，石彈運動的軌跡非常平.這是怎么回事？

生：石彈碰到了石彈兜上方的擋板，所以向下彈，由此導致石彈的運動軌跡很平.

師：石彈為什么會碰到上方的擋板呢？石彈在離開石彈兜之前做什么運動？

生：圓周運動.

師：是什么力提供石彈的向心力？當彈力較大時，石彈為什么會碰到擋板？

生：石彈兜對石彈的作用力與重力的合力提供石彈做圓周運動的向心力，但由于橡皮筋的彈力較大，而杠桿運動速度較快，需要的向心力過大，造成提供的力不足，導致石彈做離心運動，因此石彈會碰到石彈兜上方擋板，使得拋出后石彈的運動軌跡很平.

師：我們怎樣解決？

生：可以將石彈兜做成勺子形或者上方擋板做成傾斜狀（如圖5）.

3.5 問題5：投石車的穩(wěn)定性設(shè)計

車體穩(wěn)定性：提升投石車底盤穩(wěn)定的方法可以靠降低重心法，也可以利用增加底盤厚度，增加輪子數(shù)量等方法.

杠桿的穩(wěn)定性：杠桿裝置是需要承受一定的力量，為了保證杠桿裝置牢固，需要用到三角支撐，因此車體上部的核心結(jié)構(gòu)是一個比較大的三角支撐.杠桿的轉(zhuǎn)軸也承受著較大的壓力，很容易變形，所以我們可以縮短轉(zhuǎn)軸的長度，在支點兩側(cè)加固轉(zhuǎn)軸，同時也可以限制杠桿轉(zhuǎn)動過程中的運動軌跡，避免發(fā)生杠桿轉(zhuǎn)動時發(fā)生側(cè)彎和偏移的情況（如圖6）.

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)涉及物理、數(shù)學、工程等學科知識的融合，需要結(jié)合重心知識、三角形穩(wěn)定性等知識和工程設(shè)計解決實際問題.讓學生感受到我們生活世界的真實性、綜合性和趣味性，感受到各學科彼此之間不可或缺，相互聯(lián)系.

4 制作投石車，成果展示，交流評價

教師向?qū)W生提供材料和工具，如橡皮筋、塑料管、塑料棍、塑料板、細繩、刻刀、剪刀、砂紙、502膠、護目鏡、刻度尺等.

制作期間，教師及時引導學生進行組間交流，開展綜合評價，對優(yōu)秀的作品給予肯定，總結(jié)各組存在的不足之處，幫助各組學生對投石車做最大優(yōu)化和改進，積累經(jīng)驗.

學生制作的成品如圖7所示，各組間進行模擬攻城比賽.比賽要求：投石車投擲小球能夠投擲到5m處的“城墻”，10次投射機會，比一比哪個小組的投石車投中比例最高？投中比例最高組勝出.

設(shè)計意圖：讓學生親自動腦動手設(shè)計投石車，對學生的綜合能力是一次重大的考驗，同時培養(yǎng)小組同學之間的合作分工能力.讓學生通過經(jīng)歷項目的“設(shè)計—制作—評估—改進”四個步驟，最大限度地開發(fā)學生的潛能.

5 結(jié)束語

縱觀整節(jié)課，我們不難發(fā)現(xiàn)，STEM項目教學是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力的有效途徑之一.制作投石車的全程充滿了趣味性和挑戰(zhàn)性，直至最后一刻成功投擲小球到城墻的成就感，都激發(fā)了學習者的內(nèi)在學習動機，讓學習者在學習過程中體驗到了知識應用于現(xiàn)實生活的樂趣.學生在制作投石車過程中，親自動手、動腦，參與了小車的設(shè)計、制作與使用，不僅享受了成果，還在攻克工程設(shè)計與技術(shù)問題的過程中，提升了綜合解決問題的能力.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]艾蒂，韓敘虹.基于物理核心素養(yǎng)的STEM教學的實踐——以“反沖小車”為例[J].中學物理，2019（05）：18-20.

（收稿日期：2021-04-04）