動力學之無動力車

陳雷　董新軍　那長明

摘 要：通過設計制作“無動力車”項目，學生在設計制作過程中體驗物理觀念、鍛煉科學探究能力，培養學生的科學態度與責任.

關鍵詞：STEAM;物理課例;無動力車;綜合素養;科學態度與責任

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0032-03

隨著教育改革的不斷深入，新課程、新教材、新高考的落地實施已經是高中教育教學的首要任務，新課標將學生的“綜合素養”培養擺在了重要的位置，如何開設能夠培養學生“綜合素養”的系統課程，成為廣大教育工作者的重點工作.

所謂STEAM課程，是指由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）、數學（Mathematics）等學科共同構成的跨學科課程.它強調知識跨界、場景多元、問題生成、批判建構、創新驅動，既體現出課程綜合化、實踐化、活動化的諸多特征，又反映了課程回歸生活、回歸社會、回歸自然的本質訴求.STEAM是一種全新的、多元化的、重實踐的教育理念，符合新課標對學生“綜合素養”進行培養的教育功能.

1 活動概述

動力學是高中物理課程的重要組成部分，在完成新課程、新教材必修二“機械能守恒定律”一章的基礎上，筆者通過將國家課程校本化提出基于STEAM的動力學之無動力車項目，教師通過課堂教學手段引導學生運用所學知識設計制作“無動力車”，學生在設計制作過程中體驗物理觀念，鍛煉科學探究能力，培養科學態度與責任.

2 教學目標

教師啟發同學們運用本章所學知識解決問題，學生通過完成本節課的實踐活動，主動建立動能、勢能、機械能守恒等物理核心素養中的物理觀念，學生在具體的實驗探究中結合所學知識對實驗現象進行合理的解釋從而鍛煉物理核心素養中的科學思維和科學探究的能力，通過小組競賽和展示活動培養團隊意識和合作精神，進而培養物理學科核心素養中的科學態度與責任并符合比賽規則和要求.

3 教學過程（見表1）

4 STEAM要素

4.1 科學原理

機械能守恒定律是動力學中的基本定律，在只有重力或系統內彈力做功的物體系統內，物體的動能和勢能可以相互轉化，機械能保持不變.機械能包含動能與勢能，所謂動能，簡單的說就是指物體因運動而具有的能量，表達式為Ek=12mv2，其中v是以地面為參考系的速度.勢能又分為重力勢能和彈性勢能，物體由于被舉高而具有的能叫作重力勢能.重力勢能是物體在重力的作用下而具有由空間位置決定的能量，大小與確定其空間位置所選取的參考點有關，重力勢能的表達式為：Ep=mgh，其中h為相對于參考平面的高度.動能定理描述的是物體動能的變化量與合外力所做的功的關系，具體內容為：合外力對物體所做的功，等于物體動能的變化量.

4.2 技術難點

本活動課的“實施方案”環節，學生需自行設計實驗方案，并自選器材，需要考慮實驗器材的限制.

4.2.1 設計制作“重力車”

學生需根據所給器材設計實驗方案，動手制作由重力勢能轉化為動能驅動的小車，并記錄小車的實驗數據.

4.2.2 設計制作“彈力車”

學生需根據所給器材設計實驗方案，動手制作由彈性勢能轉化為動能驅動的小車，并記錄小車的實驗數據.

4.2.3 小組比賽

各組根據實際情況申請參加比賽并記錄數據，學生現場完成的實物成果如圖1所示.

4.3 工程應用

本活動中，學生小組要設計制作“無動力車”并填寫實驗數據記錄單（見表2），設計控制變量方案，并運用所學知識進行合理解釋.

4.4 數學應用

本節課綜合考查重力勢能、彈性勢能、動能定理、機械能守恒定律、功能關系等知識，學生設計的數學表達式豐富多樣，其中典型代表有

改進前：Ep=Ek=fx

改進后：Ep′=2Ek=2fx

4.5 藝術展現

本節活動課中學生除了需要設計制作小車以外，還需要設計小車的名稱，說明寓意，制作宣傳海報，這是展現學生藝術才能的好機會，進而培養核心素養中的科學態度與責任.

5 結束語

本節課是筆者學校物理教研室“項目式學習”系列課題之“無動力車”探索項目的能量守恒部分，本節課的設計背景是高中一年級學生在完成國家新課程、新教材必修二“機械能守恒定律”一章的基礎上進行的，本節課基于“雙新”背景創新設計，理論聯系實際，結合哈三中學生主動學習能力強、綜合素養較好的基礎條件進行校本化處理，重點培養學生的動手能力和創新能力，為學生未來全面發展打下基礎，滿足學生終身發展需求.筆者以“全國大學生工程訓練綜合能力競賽”為切入點，通過構思和設計呈現一堂“雙新”背景下的全新的高中物理課堂，以加深學生對物理知識的體驗和理解.在教學過程中，始終圍繞新課標要求的物理核心素養這一中心，通過課堂教學手段引導學生運用所學知識設計制作“無動力車”，學生在設計制作過程中主動建立動能、勢能、機械能守恒等物理核心素養中的物理觀念，學生在具體的實驗探究中結合所學知識對實驗現象進行合理的解釋從而培養物理核心素養中的科學思維和科學探究的能力，學生通過小組競賽和展示活動建立團隊意識和合作精神，進而鍛煉物理學科核心素養中的科學態度與責任.哈三中物理教研室通過將國家課程校本化，對教材內容進行處理、拓展和延伸，使核心素養中關注的學生全面發展所需必備的品格和關鍵能力得到培育，物理學科的育人功能得以表達，本節課是哈三中物理教研室“項目式學習”系列國家課程校本化的一個縮影，不足之處是受場地、時長、器材等的限制.

參考文獻：

[1]張海銀，陳翠，陳敏華.STEAM高中課例精編（上）[M].北京：電子工業出版社，2021.

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[3]楊俊亞，鄭衛峰.基于STEAM教育理念的高中物理活動課程的設計——以教育機器人打印力的合成演示儀為例[J].中學物理，2020，38（05）：31-33.

[4]許文龍.STEAM教育理念下高中物理實驗設計 ——以Tracker探究單擺運動規律為例[J].中學物理，2021，39（05）：45-47.

（收稿日期：2021-08-06）

基金項目：黑龍江省教育科學“十四五”規劃2021年度重點課題“開發以核心素養為導向的物理校本課程的研究”（ 項目編號：JJB1421009）.

作者簡介：陳雷（1983-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，中學高級教師，研究方向：高中物理教學、學生管理.