基于STEAM理念的物理實驗項目設計
——以“探究近視、遠視的成因”為例

(湖北省武漢市楚才中學,湖北 武漢 430051)

STEAM教育融合多學科,突破了傳統的以學科為主線的教育模式,可培養學生的跨學科實踐能力,受到我國及世界各國學者的普遍關注。STEAM教育的特征有：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、實證性等，STEAM的理念符合我國物理課程改革要求與發展趨勢,它不僅是對學科進行整合性的教育,也是一種課程設置的趨勢，更是一種教學方式的革新。[1]在開發STEAM課程時,以學生為中心、教師為引導者,學生通過小組合作探究的形式,綜合運用跨學科知識解決真實問題。在STEAM課程學習過程中能有效地培養學生的綜合應用能力、創新實踐能力和團隊協作能力。

1 項目背景

由于學校實驗室只購置了一只變焦水透鏡,因此在“人眼怎樣看清遠近不同的物體”和“近視、遠視眼的成因與矯正”的教學中,通常借助演示和講授幫助學生理解，不能開展分組實驗教學。自制變焦水透鏡對一般的物理教師來說比較困難,而3D打印為自制教具提供了利器，變焦水透鏡這種并不復雜的教具也適合學生設計、制作。基于以上分析，筆者在教學中開發了“用3D打印技術設計制作變焦水透鏡并探究近視、遠視眼的成因”的實驗項目。

2 學情分析

該實驗項目活動面向八年級“3D打印社團”的學生,這些學生好奇心強,喜歡動手實踐。通過3D打印課程的學習,學生已具備一定的3D建模能力,會獨立用“123D Design”軟件建模、打印簡單的物品。他們學習了機械運動、聲、熱、光等內容,做過探究凸透鏡成像規律的實驗,具備初步的實驗探究能力。

3 項目學習目標

S(科學)：通過實驗探究，體會水凸透鏡厚度的變化對焦距及成像的影響；通過實驗加深理解凸透鏡成像的規律；通過實驗探究，加深對近視、遠視成因的理解。

T(技術)：鞏固并熟練應用3D建模軟件。

E(工程)：根據光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內徑、橡皮筋寬度等確定變焦水透鏡的合理尺寸；操作3D打印機打印作品。

A(藝術)：繪制實用美觀的設計草圖。

M(數學)：測量光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內徑、橡皮筋寬度等；在設計草圖上標注尺寸，并進行相關測算工作。

4 項目實施與評價

4.1 實施準備

所用材料、工具為：電源、平行光源、蠟燭、蠟燭座、打火機、光具座、光屏(帶鐵桿)、燒杯、水、注射器、橡皮管、橡皮筋、止水夾、透明彈力橡皮膜、刻度尺、3D打印機等。

4.2 實施過程

4.2.1 項目導入,收集信息,設計方案

(1) 項目導入

教師提出項目的任務要求：用常規方法制作變焦水透鏡比較麻煩,同學們已具備一定的3D建模能力,請大家設計制作一只變焦水透鏡,用來探究人眼看清遠近不同物體的原理和近視、遠視的成因,完成實驗報告,寫一篇簡短的學習心得。

(2) 收集信息

學生活動3人一組,在網上查資料,了解變焦水透鏡的結構、原理。

(3) 設計方案

教師指導：① 展示光具座等；② 提示需要測量光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內徑、橡皮筋寬度等，要求學生根據光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管內徑、橡皮筋寬度等確定變焦水透鏡的合理尺寸,繪制美觀實用的設計草圖；③ 展示變焦水透鏡。

學生活動：小組合作繪制設計草圖,標注尺寸。

教師指導活動：解答學生疑問,指出存在的問題。

4.2.2 制作作品

(1) 3D建模并優化

教師提供所需的其它器材為：彈性較好的透明橡皮膜、注射器、橡皮管等。學生3人一組,用“123D Design”軟件建模(圖1),發現有無問題,提出改進意見,教師適時指導。

圖1

(2) 學生在課余時間完成3D產品打印，組裝變焦水透鏡(圖2),試驗密封性。

圖2

4.2.3 實驗探究

學生實驗前復習凸透鏡成像規律、人眼看清遠近不同物體的原理、近視和遠視的成因及矯正。小組合作實驗探究并完成實驗報告,撰寫學習心得。

(1) 組裝實驗裝置(圖3)。

圖3

(2) 用注射器向水透鏡中注入適量的水,用止水夾夾住橡皮管。調節光屏,光屏上的像清晰,測出水透鏡的焦距；用注射器從水透鏡中抽出一定量的水,水透鏡的焦距變_________；再注入適量的水,焦距變_________。

(3) 用蠟燭替換平行光源,距變焦水透鏡的距離大于_________,調節光屏,使光屏上燭焰的像清晰;當蠟燭遠離水透鏡,發現光屏上的像變_________,用注射器從水透鏡中慢慢地抽出一定量的水,像又清晰了,此時水透鏡的焦距變_________。

(4) 當光屏上燭焰的像清晰時，將蠟燭靠近水透鏡,發現光屏上的像變_________,用注射器向水透鏡中慢慢地注入一定量的水,像又清晰了,水透鏡的焦距變_________。

(5) 用平行光源替換蠟燭,當光屏上的像清晰時,用注射器向水透鏡中再注入一定量的水,水透鏡變厚,用止水夾夾住橡皮管,晶狀體的曲度不變(不能變焦),模擬近視眼,發現光屏上的像變_________,像成在光屏_________方,當光屏向_________方向移動時像又清晰了。

(6) 用注射器從水透鏡中抽出一定量的水,比步驟(6)中注水前的厚度薄,用止水夾夾住橡皮管，晶狀體的曲度不變(不能變焦),模擬遠視眼,發現光屏上的像變_________,像成在光屏_________方,當光屏向_________方向移動時像又清晰了。

(7) 近視、遠視眼的調焦能力弱,人眼的視網膜(相當于光屏)的位置也不能變化,我們可以給近視眼佩戴合適度數的_________進行矯正;遠視眼可以佩戴合適度數的_________進行矯正。

4.3 項目評價

項目評價采用過程性評價和終結性評價相結合的方式，評價主體為教師和學生，評價內容和標準見表1。

表1

5 結語

實驗項目化學習基于STEAM教育理念，學生在項目化學習過程中，通過自身的實踐操作與思維活動，將知識應用與創新思維結合起來，經歷從發現問題、解決問題的全過程，在此過程提升了核心素養。