如何在高中物理課堂融入STEAM教育

摘 要：STEAM教育是一種融合科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育.其在拓展學生視野，鍛煉學生綜合能力上有著顯著作用，因此，STEAM教育近年來受到人們的廣泛關注.物理是高中階段的重要課程之一，如何在高中物理課堂中融入STEAM教育，激發出物理課堂的活力，進一步提高物理教學效率，增強學生學以致用的能力，是一線教師廣泛討論的問題.本文結合自身教學實踐，探討STEAM教育的融入策略，以供參考.

關鍵詞：高中物理；STEAM教育；教學策略

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）21-0062-03

收稿日期：2023-04-25

作者簡介：林德棋（1982.11-），男，福建省莆田人，本科，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

物理知識在很多領域有著廣泛的應用，其中在科學、技術、工程、藝術以及數學中都能看到物理知識的身影.高中物理教學中，為提高學生運用物理知識解決問題的綜合能力，教師應認識到開展STEAM教育的必要性，結合高中物理學科特點以及具體教學內容做好融入活動研究，將STEAM教育融入到教學活動的各個環節中，保證教學質量的同時，給學生帶來潛移默化的影響，更好地拓展學生視野，鍛煉學生能力.

1 融入新課導入環節

新課導入是高中物理教學活動展開的重要環節.高中物理教學實踐中，教師應將STEAM教育融入到新課導入環節，為展開一堂精彩紛呈的物理課奠定基礎.“科學”是STEAM教育的重要組成部分.物理學科本身具備“科學”屬性，因此，物理知識教學是STEAM教育的具體體現［1］.認識到這一點，教師可做好教學前各項準備，認真收集與科學相關的素材，包括各種圖片、科普視頻等，在新課導入環節進行展示、播放，激發學生的學習興趣，自然地引入新課［2］.

天舟系列貨運飛船，主要為中國空間站在軌運行期間提供補給支持.2022年5月10日，天舟四號貨運飛船成功發射.若知道天舟四號距離地面高度h，地球表面的重力加速度為g，地球半徑為R，引力常量為G.將地球看做質量均勻的球體，便可計算出地球的質量M以及天舟四號的運動周期T.你會計算嗎？如此設置懸念，能很好地吸引學生，驅使其積極地投入到“萬有引力定律及航天”新知識學習中.待學生完成萬有引力知識學習后，便不難計算新課導入時提出的問題.物體在地球表面受到的重力由萬有引力產生，設物體的質量為m0，則有：GMm0R2=m0g，則M=gR2G；天舟四號圍繞地球的運動可看做勻速圓周運動，向心力有萬由引力提供，即，GMm（R+h）2=m4π2T2（R+h），由M=gR2G，可得T=2π（R+h）RR+hg.

高中物理新課導入環節，教師展示科學素材，設置懸念，不僅能引發學生好奇心，激發學生學習新知識的欲望，而且可使學生認識到物理知識是科學學科的重要構成部分，為物理知識的講解奠定堅實基礎.

2 融入知識講解環節

知識講解是高中物理教學活動的重要構成部分，是學生獲取物理知識的關鍵環節.“工程”學科知識在STEAM教育中占有重要地位，而且其與物理知識有交叉.在物理知識講解環節融入STEAM教育，不僅有助于學生理解、掌握物理知識，而且可給學生帶來深遠影響［3］.

教學實踐中，為加深學生印象，教師可引導學生正確、靈活運用物理知識分析一些工程的問題.在教師講解“圓周運動”知識時，可使用多媒體技術為學生播放鐵路工程建設視頻.在視頻中為學生介紹列車的拐彎原理，使學生清晰地看到列車拐彎時車輪的受力情況，明確列車拐彎時的向心力有誰提供.同時，為使學生深入理解，靈活應用，教師可在屏幕上展示以下問題：鐵路工程建設中，一轉彎處對應的圓弧半徑為500 m，設計列車經過該轉彎處的速度為72 km/h.若列車車頭的質量為2×104kg，要求其在經過轉彎處時，鐵軌對車輪沒有側向彈力，則路基傾角的正切值為多大？列車車頭轉彎可近似看成圓周運動.

該問題以鐵路工程為背景，檢驗學生對圓周運動規律的理解以及應用的靈活性.課堂教學時，教師可對上述過程進行簡化，對車輪進行受力分析，如圖1所示.其中路軌的彈力和列車車頭重力的合力提供向心力.設路基的傾角為θ，則tanθ=F合G，F合=mv2R，G=mg，聯立解得tanθ=0.08.而后提問學生：鐵軌對車輪沒有側向彈力有什么現實的意義？驅使學生從工程使用壽命角度繼續思考.最終學生討論可知，如此進行設計，不僅有助于保障列車車頭行駛安全，而且可延長拐彎處鐵軌的使用壽命.

教師在課堂上依托具體工程進行物理知識通過講解，豐富了課堂內容，增加了課堂教學趣味.尤其通過剖析工程中應用物理知識的案例，有效滲透STEAM教育的同時，達到預期的教學目標.

3 融入例題講解環節

在例題講解環節融入STEAM教育，可給學生以后進行工程設計帶來良好啟發.一方面，高中物理例題非常多，教師應結合自身經驗以及STEAM教育內容，做好例題篩選，確保講解的例題針對性強，STEAM教育目標明確；另一方面，授課活動中，教師應給學生留足表現機會，多給予啟發、互動，營造良好課堂氛圍的同時，引導學生主動思考，使其手腦并用，及時找到解題的切入點［4］.

“平拋運動”是高中物理中非常重要的運動類型.完成相關理論知識講解后，教師可展示以下例題，要求學生分析、作答：當前人們對機器人研發充滿興趣，希望在以后的生活中能運用機器人替代人的工作.假設要求你設計一款投籃機器人.該機器人將籃球和水平方向成45°角拋出，剛好落入距離10 m遠的籃筐中.其中籃球出手點和籃筐處在同一水平面上，忽略空氣阻力，則籃球應以多大的速率拋出？

為使學生更好地找到該題的突破口，教師可要求學生思考以下問題，給予學生啟發：（1）籃球做什么運動？（2）由籃球投出時的角度，可以得出水平和豎直速度之間有什么關系？（3）籃球出手點和籃筐處在同一水平面上，你能挖掘哪些隱含條件？（4）從該設計活動中你獲得哪些啟發？

學生從平拋運動知識學習中獲得啟發，認識到平拋運動中水平和豎直方向上的運動具有獨立性，但兩者之間又通過時間存在一定聯系.籃球拋出后做斜拋運動，但其可用平拋運動規律進行分析.由籃球拋出時速度的角度可知，其豎直和水平方向上的速度大小相等.由籃球出手點和籃筐處在同一水平面上，可知籃球從出發點達到最高點與從最高點進入籃筐中的時間相等.設籃球水平和豎直方向的速率均為v0，拋出點到最高點的高度為h，出手點和籃筐的水平距離為x，籃球達到最高點的時間為t，則：h=12gt2，12x=v0t，v0=gt，解得v0=52 m/s，則籃球拋出時的速率v=v0cos45°=10 m/s.

高中物理例題講解環節，將STEAM教育中的“技術”領域知識融入到例題情境中，可使學生認識到物理知識與技術知識的內在聯系，驅使學生養成關注“技術”知識的習慣，培養運用物理技術知識開展設計活動的意識.

4 融入課堂訓練環節

安培力相關計算是高中物理的重難點知識.完成該部分內容教學時，為更好地培養學生的計算能力，啟發學生嘗試著運用數學知識加以求解，課堂訓練環節可為學生展示如下習題，要求學生分析作答：如圖2所示，一根通有恒定電流I，長為L，質量為m的金屬條向右運動.金屬條始終處在勻強磁場中（方向如圖所示，θ角已知）.金屬條和導軌間的動摩擦因數為μ，且金屬條以速度v做勻速運動.若磁場方向不確定，求金屬條的最大加速度以及金屬條運動位移為x的過程中安培力對金屬條做的功.

金屬條做勻速運動時，由平衡條件可得：F安sinθ=μ（mg-F安cosθ）.設磁場方向和水平夾角為α時，金屬條的加速度最大，由牛頓第二定律可得：F安sinα-μ（mg-F安cosα）=ma，聯立整理得到：a=μgsinθ+μcosθ（sinα+μcosα）-μg，由三角函數輔助角公式可得a=μgsinθ+μcosθ1+μ2sin（α+φ）-μg，其中cosφ=11+μ2，由三角函數知識可得當sin（α+φ）=1時，a有最大值μg1+μ2sinθ+μcosθ-μg.金屬條運動位移x的過程中安培力做的功W=F安xcosφ=μmgx1+μ2（sinθ+μcosθ）（1+μ2）.

該課堂訓練習題具有一定難度，解題主要運用受力分析以及數學知識.教師在課堂上要求學生解答該題，提高其安培力計算熟練程度的同時，啟發學生在以后解答物理問題時注重數學知識的應用，很好地實現STEAM教育融入課堂訓練的目標.

綜上所述，當前STEAM教育受到人們的廣泛關注.高中物理教師應認真分析在教學活動中融入STEAM教育的意義，把握STEAM教育設計的知識，做好高中物理教學活動的精心設計，實現STEAM教育與教學活動的有機融合，使學生牢固掌握物理知識的同時，接受STEAM教育的良好熏陶，養成學習、運用跨學科知識分析、解決問題的良好習慣.

參考文獻：

［1］ 張濱，阮偉文.STEAM教育理念下的高中物理教學實踐研究［J］.中學理科園地，2022，18（04）：4-7.

［2］ 孫煦晗.基于STEAM理念的中學教育實踐研究：以高中物理“豎直上拋運動”為例［J］.理科考試研究，2022，29（05）：41-43.

［3］ 蘇康慧，蘇玉成.基于STEAM教育理念的高中物理課程設計［J］.中學課程資源，2021，17（09）：39-41，53.

［4］ 關蕾.基于STEAM教育理念下高中物理教學質量的提升策略研究［J］.高考，2021（25）：53-54.

［責任編輯：李 璟］