基于STEAM教育與HPS理念的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

姜策翔 金邦建 羅海軍 李士本

在以往的物理教學(xué)研究中，科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)教育（STEAM），及科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)教育（HPS）被視為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。教師將這兩種教育理念結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮STEAM的實(shí)踐性、創(chuàng)造性，HPS的思辨性、批判性，通過實(shí)驗(yàn)探索與理論教學(xué)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，并引入歷史與哲學(xué)元素培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。在這一過程中，教師基于STEAM與HPS的理念，從跨學(xué)科以及物理學(xué)史背景的角度教學(xué)，讓學(xué)生感受物理學(xué)的人文之美，增強(qiáng)跨學(xué)科實(shí)踐能力。以斜拋運(yùn)動(dòng)教學(xué)為例，筆者自制教具（氣弓箭箭矢），讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究、軟件模擬、公式推導(dǎo)、物理學(xué)史引入等過程，深入探究斜拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，體會(huì)物理學(xué)的人文意義和價(jià)值。結(jié)合STEAM與HPS優(yōu)勢(shì)，開展斜拋運(yùn)動(dòng)教學(xué)旨在提供一種可能的新思路。

一、STEAM和HPS結(jié)合可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

融合STEAM與HPS開展物理教學(xué)具有可行性，體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

首先，STEAM與HPS都具有跨學(xué)科特性。STEAM十分注重學(xué)科融合。HPS將科學(xué)、歷史、哲學(xué)等進(jìn)行綜合，同樣鼓勵(lì)學(xué)科交叉。

其次，STEAM與HPS都強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性。STEAM依托具體的實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。歷史上重大理論問題的突破往往得益于科學(xué)家良好的哲學(xué)素養(yǎng)，對(duì)于HPS而言，一方面引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)史培養(yǎng)懷疑精神，另一方面訓(xùn)練學(xué)生哲學(xué)思維[1]。

最后，STEAM與HPS都強(qiáng)調(diào)實(shí)用性。STEAM鼓勵(lì)學(xué)生在跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)中將學(xué)到的知識(shí)技能和成果應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中，以解決實(shí)際問題。HPS模式下，學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)等問題進(jìn)行思考，探究解決實(shí)際問題的方法。

綜上所述，STEAM和HPS二者能夠互為補(bǔ)充。學(xué)生在發(fā)展創(chuàng)新性思維、批判性思維、跨學(xué)科能力以及解決問題能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解物理學(xué)的發(fā)展歷程、社會(huì)影響和倫理問題等，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和人文關(guān)懷，有利于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、STEAM與HPS相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)思想

對(duì)于STEAM與HPS融合的物理教學(xué)，教師可以從以下三個(gè)方面著手。

其一，現(xiàn)實(shí)研究與歷史研究相結(jié)合：圍繞某一主題展開實(shí)踐活動(dòng)，并結(jié)合歷史上對(duì)同一物理現(xiàn)象的分析，讓學(xué)生在比較中了解科學(xué)發(fā)展與技術(shù)改進(jìn)是相輔相成的關(guān)系。

其二，物理學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合：物理教學(xué)中，教師在主題的選擇、背景的介紹等方面穿插科技史的講解，并結(jié)合數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)等學(xué)科組織科學(xué)探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科能力與實(shí)踐能力。

其三，科學(xué)性與人文性相結(jié)合：STEAM中的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)具有典型的科學(xué)性，而HPS引導(dǎo)學(xué)生思考科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的關(guān)系，強(qiáng)化了科學(xué)教育的人文意義。

結(jié)合以上三個(gè)方面的分析，對(duì)于“斜拋運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)課的教學(xué)，筆者將該課程內(nèi)容涉及STEAM與HPS要素做了梳理（見表1）。

筆者計(jì)劃從實(shí)驗(yàn)與理論兩個(gè)方面開展教學(xué)，即通過氣弓箭箭矢的制作與發(fā)射、斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡的推導(dǎo)來(lái)研究斜拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最后引入古代中西方對(duì)箭矢飛行軌跡的認(rèn)識(shí)來(lái)加深學(xué)生的理解。流程如圖1所示。

三、STEAM與HPS相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐

（一）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究氣弓箭箭矢的運(yùn)動(dòng)軌跡

本節(jié)課用到的實(shí)驗(yàn)儀器為氣弓箭。相較于傳統(tǒng)弓箭，教師應(yīng)用氣弓箭教學(xué)具有以下優(yōu)勢(shì)：一方面，紙制箭矢相對(duì)安全；另一方面，氣弓箭的發(fā)射采用氣壓機(jī)制，操作難度低。

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：自制氣弓箭箭矢進(jìn)行打靶比賽

教師活動(dòng)：介紹氣弓箭的原理，即利用壓縮氣體儲(chǔ)存能量，并以釋放氣體的方式將能量轉(zhuǎn)化為箭矢的動(dòng)能。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)模型制作箭矢（如圖2）。

首先，選用硬卡紙作為箭頭和箭身材料，將紙卷成筒狀作為箭身，注意底面直徑應(yīng)比發(fā)射筒的直徑略大。其次，適當(dāng)剪裁卡紙并卷成箭頭狀，用膠將箭頭與箭身粘貼牢固。最后，選用薄的塑料板作為尾翼，將其粘貼在箭身末端。

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生使用自制的箭矢參與打靶射擊比賽。開始時(shí)，教師讓學(xué)生體驗(yàn)將箭頭正對(duì)靶心射擊，結(jié)果箭矢落在靶心下方。此時(shí)，讓學(xué)生知道為了命中靶心，需要將氣弓箭向上抬起一定角度。

為了確保安全，氣弓打氣時(shí)應(yīng)保證壓強(qiáng)小于兩個(gè)大氣壓，還應(yīng)提前開展必要的安全指導(dǎo)和培訓(xùn)。

2. 運(yùn)用Vernier Video Physics軟件描述飛行軌跡

Vernier Video Physics是一款物理教學(xué)軟件，它不僅能夠根據(jù)視頻捕捉物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且能建立坐標(biāo)軸描述運(yùn)動(dòng)情況，便于學(xué)生探究物理現(xiàn)象背后的原理。

教師活動(dòng)：在教室內(nèi)進(jìn)行打靶比賽過程中，利用手機(jī)攝像頭拍攝箭矢空中飛行過程，使用Vernier Video Physics軟件分析飛行軌跡。以箭矢射出時(shí)的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平和豎直方向?yàn)閤軸、y軸，建立平面直角坐標(biāo)系。教師出示箭矢在空中飛行的實(shí)物圖及軌跡圖（如圖3）。

學(xué)生活動(dòng)：從熟悉的平拋運(yùn)動(dòng)入手，運(yùn)用類比的方式分析箭矢在空中的力學(xué)特點(diǎn)（暫時(shí)不計(jì)空氣阻力），包括水平和豎直方向的速度、加速度等，進(jìn)而推斷箭矢的運(yùn)動(dòng)情況。結(jié)合軟件分析得到的軌跡圖，在教師引導(dǎo)下初步得出斜拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是一條拋物線的結(jié)論。

教學(xué)反思：在制作箭矢的過程中，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)箭矢的顏色、形狀和箭身上的圖案等，將個(gè)性特點(diǎn)融入其中，培養(yǎng)其審美意識(shí)和創(chuàng)新思維。學(xué)生親身參與比賽，能夠明白在打靶過程中，箭矢的飛行軌跡是一條曲線。Vernier Video Physics軟件可以將不易察覺到的物理規(guī)律數(shù)學(xué)化，使之完整清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使物理學(xué)習(xí)更為直觀。

（二）斜拋運(yùn)動(dòng)的射程與軌跡表達(dá)式

學(xué)生參與前面的活動(dòng)，已知曉斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡為一條拋物線，但對(duì)于其背后的原理認(rèn)識(shí)還不夠深入。接下來(lái)，從實(shí)驗(yàn)與理論兩方面探究斜拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。