基于steam理念的高中跨學科課程的開發與實施

楊恒

摘要：基于理科綜合課程實驗課程的開發，利用手機內置傳感器進行數字化實驗進行了嘗試。以“探秘電池的奧秘”為例，展示物理、化學跨學科課程的設計思路，并進行嘗試。

關鍵詞：steam理念﹐手機內置傳感器﹐跨學科課程

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A

為了提升高中生的學科核心素養，嘗試在物理、化學等學科開發了一系列跨學科解決實際生活問題的課程，跨越不同學科進行知識建構與學習遷移，激發其創造力。[1-2]。

“探秘電池的奧秘”以電池的發展歷史作為主線，結合同學們實際生活中遇到的與電池相關的問題，認識電池的分類，設計出最優化的原電池，探究能源利用最大化以及環境保護。通過這樣一系列的活動，貼近學生的日常生活，使學生有能力通過探索來解決問題，在動手實踐中實現知識建構，讓學生通過跨學科學習看待問題的視角更加多元化[3]。

一、問題提出

“探秘電池的奧秘”主要涉及了物理和化學兩學科的知識。在跨學科設計整體思路的基礎上，首先尊重各學科本身的學科特點，以分科教學為基礎，降低老師教學和同學學習的難度。其次，通過“探秘電池的奧秘”這一主題的聯結，引導學生從多維度理解“電池”，讓其看待問題的視角更加多元，在遇到復雜問題時，能夠提出創造性解決方案，讓電池優化方案更加科學合理。

二、跨學科設置探索過程

我們先在分科學科教學中滲透研究性學習方式，解決基本的學科概念問題。我們再通過跨學科主題探究的方式，從分科教學的知識組合推向深層概念形成，讓學生學會學習。跨學科學習在學習的過程中都會涉及到更多元化的學習方式，比如個體的獨立學習，合作學習等方式，因此，提供必要的學習指導和任務驅動，是支持學生開展有效學習和探究的重要保障。

三、課堂探究

以“探秘電池的奧秘”為主題，設置制作原電池、點亮小燈泡、測量原電池的電動勢與內阻、優化原電池、認識不同的電池五個任務驅動學生推進學習。

（一）制作原電池

布置任務：準備不同材料作為電解液和電極，自制原電池，利用手機內置傳感器、phyphox和ESP32測量電壓。學生分別往容器中倒入可樂、食用油和牛奶，然后將鋅片和銅片插入插槽中，完成了三節不同的原電池的制作。用導線將金屬片與ESP32相連，利用手機傳感器測量不同電解液制作出來的原電池兩端的電壓。讓學生認識到不同的電源，在不接用電器時兩極間的電壓一般不相同，它反映了電源本身的一種性質。

（二）點亮小燈泡

學生在已經學習過原電池的原理，在初中物理學科中也已經學習過閉合回路中有電勢差可以形成電流，但是沒有把二者實際聯系起來。用可樂電池接上一小燈泡時，燈泡不亮。這是為什么呢？這引發了思考：為什么有電壓，也形成了閉合回路，但是小燈泡不亮﹖

用牛奶電池接同一小燈泡時，燈泡卻亮了。可樂電池的電動勢較大，但能使燈泡發光的卻是電動勢較小的牛奶電池。這又是為什么呢？

進一步進行分析，發現核心問題是原電池存在內電阻。然后通過手機傳感器對原電池進行測量分析，構建電源內阻的知識，，從而發現燈泡不亮的關鍵問題所在：路端電壓不足。

（三）測量電源電動勢和內阻

學生需要通過跨學科的知識來思考優化電池的方法。例如從（化學學科角度）影響化學反應速率的因素考慮溶液溫度、溶液濃度等，又例如從（物理學科角度）影響電阻大小的因素考慮兩極板之間距離、兩極板的正對面積、溶液的電阻率等。然后分小組分別驗證各個方案的可行性。

為了降低學生的探究實驗的難度，將開放實驗室，提供不同的實驗儀器，學生在實驗探究過程中可以直接到實驗室取用，這樣不但大大降低了學生準備實驗儀器的難度，而且使得“測什么、怎么測（即測量什么物理量、選擇哪種實驗器材來測量該物理量、應該如何測量）”這個實驗設計的關鍵環節也成為了學生必須自主完成的一部分，可以培養學生實驗創新能力

（四）原電池優化

根據上個環節不同方案的實驗得出的數據，分析實驗數據可得：電源電動勢隨著溫度的升高而小幅度降低，電池的內阻也隨著溫度的增高而下降，因此冬天的電池內阻會增大。隨著電極間的間距增大和橫截面積減少，電源的電動勢和內阻都增大。此時，老師可以引導學生嘗試理解能斯特方程（化學學科）或者電源和電阻的串并聯問題（物理學科）。

接著從技術方面考慮電池的電動勢、內阻、容量、耐用性與價格成本等問題，將電池性能數據優化到最佳。這不但鍛煉學生的技術設計思維，而且還可以引導學生批判和質疑數據的合理性，引導學生科學研究沒有灰色地帶，數據造假是科學不端的行為，要堅持實事求是的科學精神。

最后，教師引導學生如何正確使用電池，最大地發揮電池的功效，延長電池的壽命，探究能源利用最大化以及環境保護。

四、教學反思

“探秘電池的奧秘”是基于STEAM理念進行跨學科教學，主要學習物理、化學兩個不同的學科關于“電池”這一相同的概念但不同的知識點，以信息技術學科為輔助，以原電池為線索，培養學生對跨學科知識之間的關系的把握和協調，通過統整不同學科知識之間的聯系，促進學生從多維度理解和學習“電池”的知識。

參考文獻

[1] 教育部考試中心.中國高考評價體系[S].北京：人民教育出版社，2019.13—31

[2] 教育部考試中心.中國高考評價體系說明[S].北京：人民教育出版社，2019.32—34

[3] 陳彩霞，董亮，朱雪梅.地理與歷史跨學科“交互協同”教學模式的探索——以“祖國的首都——北京”（第一課時）為例[J].中學地理教學參考，2016（1）.6-12

[4] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書化學必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2020.31—58

[5] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書化學選擇性必修1[M].北京：人民教育出版社，2020.93-100

[6] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2020.78-93

本論文是佛山市南海區教育科學“十三五”規劃年度重點課題《基于手機內置傳感器的高中物理實驗校本課程開發與實踐研究》（項目編號：NH2019007）和廣東省教育科研“十三五”規劃年度教育科研重點項目《STEAM理念下基于手機內置傳感器的高中理科實驗項目的開發與實踐研究》（項目編號：2020ZQJK021）的研究成果。