基于STEM項目化驅動的高中物理課堂轉型初探*
——以“反沖現象 火箭”為例

吳鵬程

(江蘇省震澤中學 江蘇 蘇州 215200)

談到STEM教育理念最早起源于美國,它的各個字母分別代表科學(science)、技術(technology)、工程(engineering)以及數學(mathematics),旨在打破學科邊界,往往以工程項目為驅動,讓學生在項目制作過程中提升綜合素養.近年來,隨著國際人才競爭日趨激烈,各國紛紛借鑒美國STEM教育經驗開展教育改革[1].

STEM教育由于其本身的特點,對工程技術人才的培養有其獨特的優越性[2].如何發揮STEM教育的優勢,借助STEM項目化驅動實現傳統物理課堂的轉型,值得進一步探討.

1 STEM項目化驅動課堂轉型的可行性

1.1 教學目標一致

STEM教育的教學目標一般認為是培養學生的STEM素養,但對于STEM素養的定義學者們還沒有形成統一的認知.多數學者認為STEM素養應該是在解決STEM問題過程中的綜合表現,具體包括STEM知識、STEM思維、STEM能力以及STEM態度[3].高中物理核心素養主要包括:物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任.兩者的對比分析如表1所示.

表1 STEM素養與物理核心素養內容對比

通過對比分析可以發現STEM素養包含了物理核心素養.因此,STEM教育的教學目標與我國高中物理的教學目標具有一致性.

1.2 教學內容相符

STEM教育以項目任務為驅動,高中物理教學中的實驗加以改造均可提供項目素材.例如,在研究勻變速直線運動的教學過程中,可以創設工程情境,讓學生自制粗略測量加速度的工具,在研究與設計的過程中探究加速度的相關知識.

STEM教育的融入還能夠將物理規律轉化為實際問題,讓學生在探究或驗證的過程中獲取知識.例如胡克定律,教師可以創設問題情境:如何驗證商家是否缺斤少兩?學生通過工程探究與設計,感受彈力與形變量的關系,從而進一步了解胡克定律.相較于傳統物理課堂,學生通過實踐,完成對知識的建構,進一步加深對知識的理解.

因此,高中物理教學內容能夠為STEM教育提供豐富的工程背景與素材,從而實現基于STEM項目化驅動的課堂轉型.

1.3 轉型條件良好

絕大多數高中都已配備了物理實驗室能夠滿足一定的物理實驗需要,這也為STEM項目化驅動轉型提供了良好的環境.STEM工程問題的解決離不開工程探究,而物理實驗室能夠提供大量的實驗器材,既能夠滿足工程探究的需求,也能夠節省學校的開支.

教育部2017年頒布的新版高中物理課程標準中也指出:要積極引導學生自主學習,教學方式要多樣化,要創設利于學生自主探究的學習情境[4].這與STEM教育理念不謀而合,為實現STEM項目化驅動的課堂轉型營造了良好的氛圍.

2 基于STEM項目化驅動的教學設計與實踐

項目化驅動的關鍵在于項目選取與設計,既要符合教材與教學要求,更要貼近學生生活.本次課程選自人教版選擇性必修一“反沖現象 火箭”,課程標準中對該部分的要求為:知道火箭的發射利用了反沖現象.學生在此之前已經學習了動量定理和動量守恒定律,具有一定的基礎.本節課教學程序如圖1所示,物理核心素養目標與STEM素養目標對比如表2所示.

圖1 教學程序

表2 “反沖現象 火箭”物理核心素養教學目標與STEM教育培養目標

2.1 創設工程情境 發起項目任務

本節課設計的情境與項目任務如下:2021年10月16日,我國在酒泉衛星發射中心成功發射了神州十三號,標志著我國的航天事業邁上新的臺階,身為高中生的我們無比自豪.請你也參與到“飛天計劃”設計并制作一款模型火箭,要求盡可能提升高度,并確?；鸺浠貢r得到保護.

2.2 引導基礎探究 形成物理觀念

在開始制作前,教師引導學生思考火箭是如何升空的?大多數學生都知道是火箭受到了向上的作用力,而這個作用力是誰施加的,地面還是噴出的氣體?基于上述思考,結合動量守恒定律,由此引出反沖現象的概念.

關于升空高度的思考,學生在教師的指導下嘗試進行基礎探究.思考如何將坐在滑板上的人“發射”出去.學生提出很多想法,例如手持滅火器、手持水槍、拋出重物等等.在此基礎上,教師帶領學生以手持滅火器為例進行“發射”實驗,如圖2所示.

圖2 模擬發射實驗

實驗完成后學生思考滑板與人獲得的速度與哪些因素有關,基于該思考建構實驗模型如圖3所示.

圖3 “發射實驗”模型

假設在極短的時間內滅火器噴出的粉末質量為Δm,水平噴出的粉末相對于發射前人的速度為u,噴出粉末后剩余整體質量為m,試求人獲得的反沖速度,學生根據動量守恒定律可得

mΔv+Δmu=0

其中負號表示人獲得的速度與粉末噴出速度方向相反.通過該式我們發現人能獲得的速度與Δm、m的比值以及u的大小有關.因此可以從提高噴出粉末質量與剩余整體質量的比值以及粉末噴出速度的角度著手,引導學生進行相關資料的查詢與學習.在基礎探究過程中學生還發現,采用該方法人能夠滑行的距離較短,又該如何增加滑行距離?通過瓶口壓力表發現隨著粉末的噴出,瓶內的壓力逐漸減小,噴出的粉末速度也逐漸減小,因此人的滑行距離較短.增加滑板上滅火器的數量是否就一定能增加滑行距離?學生容易想到,已經用完的滅火器如果還置于滑板上,人能獲得速度也將變小,應該將空瓶舍棄,至此分級火箭的概念呼之欲出.

項目還要求在火箭落地時要得到保護,學生結合之前所學動量定理提出可以給水火箭安裝降落傘、設置緩沖墊等.

該環節主要依靠教師引導,學生自主探究,通過物理建模等途徑,逐漸形成物理觀念,并在此過程中逐步提升學生的科學思維能力.

2.3 整合學科知識 分組制訂方案

基于之前的分析與初步探究,學生開始自由分組,做好分工與合作.在查閱相關資料后,學生了解到現代的火箭噴氣速度通常在2 000～5 000m/s,很難進一步提高,因此需要提高火箭噴出的燃氣質量與火箭剩余質量的比值.在航天領域,火箭噴氣前的總質量M與火箭噴氣后剩余質量m的比值叫做質量比,但是現代火箭的質量比一般小于10.結合基礎探究活動中拋棄廢瓶的做法,學生更容易理解分級火箭的設計理念.

分級運載火箭利用燃料燃燒噴出高溫高壓氣體實現反沖升空,模擬火箭又該采用何種方式?經過討論,學生想到了水火箭,并發現隨著火箭級數的增加連接部分的氣密性會受到較大影響,同時水火箭整體質量也會增加從而影響升空高度,最終學生決定設計并制作二級水火箭.

各組分工協作,設計水火箭的主體結構與連接方式,并借助建模軟件繪制了產品模型,如圖4所示.

圖4 學生設計圖

在應用動量定理時考慮到反沖力較大,學生增加了發射底座以穩定火箭發射.制作材料大多易于獲取,例如飲料瓶、魚線、塑料膜等,這些身邊的材料有大用場.部分不易獲取的零件,學生借助3D打印機進行了個性化制作.其他組員設計了制作流程,主要包括發射底座的制作與安裝、箭體拼接、降落傘安裝以及氣密性檢測等.

本環節的順利開展需要學生整合應用各學科知識,例如數學在尺寸設計方面的應用,材料學在選材方面的應用、建模軟件在模型設計方面的輔助等等.該過程教師要避免過多干預,讓學生在該環節充分思考,提升科學思維與科學探究能力.

2.4 協力項目探究 共制課程產品

在完成方案設計的基礎上,各組進行產品制作.學生選用了兩個相同大小的飲料瓶在底部挖出相同尺寸的小孔,然后通過螺栓與墊片進行“串聯”組成一級箭體,并在其頭部安裝一級降落傘.二級箭體主要由飲料瓶、薄膜降落傘構成.學生將一級箭體與二級箭體間通過氣閥、塑料軟管等零件連接.至此,二級水火箭產品初步制作完成,實踐過程及成果如圖5所示.

圖5 學生STEM項目實踐過程

該部分各組員之間相互配合完成制作,教師對學生的操作過程給予適當的引導與幫助.制作過程既鍛煉了學生的動手實踐能力,也逐步提升了學生的科學探究能力.

2.5 產品展示交流 自我反思改進

在教師的組織下,各小組講解了本組水火箭的設計思路、構造,并進行了實地發射以檢驗項目達成度,如圖6所示.通過實踐,學生也發現了本組產品的不足之處,例如部分小組降落傘未打開,箭體連接處氣密性差升空高度低等.學生在該階段通過對比其他小組的作品進行了自主反思與改進工作.

教師在此過程中進行適當的點評與分享,幫助學生鞏固強化本節課的內容.該交流分享環節既有利于提升學生的溝通能力,也有利于學生在反思中提升科學思維能力.

2.6 多元化多樣化教學評價

基于STEM項目化驅動的課堂,教學評價方式也不再單一,在整個項目活動中采用多樣化多元化全過程的評價方式.評價主體包括教師評價、學生自評與互評相結合,評價貫穿整個項目活動.學生最終的STEM項目成績由教師評價、小組自評與小組互評共同構成,滿分為100分,按照表3各項指標進行評價,最終得分取教師評價、小組自評與小組互評的平均分作為該小組STEM項目活動分數.實踐完成后統計得出各組項目活動平均分均達到87分以上,項目達成度較高,符合教學預期目標.

表3 STEM項目成績評價表

3 結束語

區別于傳統的物理課堂和單純的水火箭制作,本節課基于STEM教育理念,創設工程情境驅動學生在完成項目任務的過程中掌握相關知識與技能.在基礎探究過程中,學生通過實驗分析火箭升空原理感知反沖現象,通過建構物理模型推導其速度的影響因素從而理解多級火箭的設計理念.在項目產品的制作過程中,學生綜合運用了物理學、數學、材料學、工程學等學科知識來解決問題,打破了學科邊界.3D打印、軟件建模等技術的應用則進一步提升了學生綜合素養.產品的制作完成并不代表課堂的結束,學生在展示交流的過程中不斷反思與改進,逐步提升科學思維.

在STEM項目化驅動的課堂中,科學、技術、工程、數學4要素都與高中物理課程實現了深度融合,學生的主觀能動性也得到了充分發揮.教師以物理課程為素材精心開發工程項目,以“引導”代替“講解”,學生以“探究性協作”代替“機械性制作”.基于STEM項目化驅動的新型課堂為學生核心素養的發展提供了新的可能.