基于STEAM教育與HPS理念的高中物理教學設計

姜策翔 金邦建 羅海軍 李士本

在以往的物理教學研究中，科學、技術、工程、藝術和數學教育（STEAM），及科學史、科學哲學和科學社會學教育（HPS）被視為兩個相對獨立的領域。教師將這兩種教育理念結合起來，發揮STEAM的實踐性、創造性，HPS的思辨性、批判性，通過實驗探索與理論教學加深學生對知識的理解，并引入歷史與哲學元素培養學生的高階思維能力。在這一過程中，教師基于STEAM與HPS的理念，從跨學科以及物理學史背景的角度教學，讓學生感受物理學的人文之美，增強跨學科實踐能力。以斜拋運動教學為例，筆者自制教具（氣弓箭箭矢），讓學生經歷實驗探究、軟件模擬、公式推導、物理學史引入等過程，深入探究斜拋運動規律，體會物理學的人文意義和價值。結合STEAM與HPS優勢，開展斜拋運動教學旨在提供一種可能的新思路。

一、STEAM和HPS結合可實現優勢互補

融合STEAM與HPS開展物理教學具有可行性，體現在以下三個方面。

首先，STEAM與HPS都具有跨學科特性。STEAM十分注重學科融合。HPS將科學、歷史、哲學等進行綜合，同樣鼓勵學科交叉。

其次，STEAM與HPS都強調創造性。STEAM依托具體的實踐活動培養學生的創新能力。歷史上重大理論問題的突破往往得益于科學家良好的哲學素養，對于HPS而言，一方面引導學生學習科學史培養懷疑精神，另一方面訓練學生哲學思維[1]。

最后，STEAM與HPS都強調實用性。STEAM鼓勵學生在跨學科主題學習中將學到的知識技能和成果應用到現實中，以解決實際問題。HPS模式下，學生對科學、技術、社會等問題進行思考，探究解決實際問題的方法。

綜上所述，STEAM和HPS二者能夠互為補充。學生在發展創新性思維、批判性思維、跨學科能力以及解決問題能力的基礎上，進一步了解物理學的發展歷程、社會影響和倫理問題等，增強社會責任感和人文關懷，有利于提升學生的物理學科核心素養。

二、STEAM與HPS相結合的教學設計思想

對于STEAM與HPS融合的物理教學，教師可以從以下三個方面著手。

其一，現實研究與歷史研究相結合：圍繞某一主題展開實踐活動，并結合歷史上對同一物理現象的分析，讓學生在比較中了解科學發展與技術改進是相輔相成的關系。

其二，物理學與其他相關學科相結合：物理教學中，教師在主題的選擇、背景的介紹等方面穿插科技史的講解，并結合數學、工程、藝術等學科組織科學探究活動，培養學生跨學科能力與實踐能力。

其三，科學性與人文性相結合：STEAM中的科學、技術、工程、數學具有典型的科學性，而HPS引導學生思考科學、技術、社會的關系，強化了科學教育的人文意義。

結合以上三個方面的分析，對于“斜拋運動”這一節課的教學，筆者將該課程內容涉及STEAM與HPS要素做了梳理（見表1）。

筆者計劃從實驗與理論兩個方面開展教學，即通過氣弓箭箭矢的制作與發射、斜拋運動軌跡的推導來研究斜拋運動規律，最后引入古代中西方對箭矢飛行軌跡的認識來加深學生的理解。流程如圖1所示。

三、STEAM與HPS相結合的教學實踐

（一）設計實驗研究氣弓箭箭矢的運動軌跡

本節課用到的實驗儀器為氣弓箭。相較于傳統弓箭，教師應用氣弓箭教學具有以下優勢：一方面，紙制箭矢相對安全；另一方面，氣弓箭的發射采用氣壓機制，操作難度低。

1. 實驗設計：自制氣弓箭箭矢進行打靶比賽

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

學生活動：根據模型制作箭矢（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，注意底面直徑應比發射筒的直徑略大。其次，適當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：引導學生使用自制的箭矢參與打靶射擊比賽。開始時，教師讓學生體驗將箭頭正對靶心射擊，結果箭矢落在靶心下方。此時，讓學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，氣弓打氣時應保證壓強小于兩個大氣壓，還應提前開展必要的安全指導和培訓。

2. 運用Vernier Video Physics軟件描述飛行軌跡

Vernier Video Physics是一款物理教學軟件，它不僅能夠根據視頻捕捉物體的運動軌跡，而且能建立坐標軸描述運動情況，便于學生探究物理現象背后的原理。

教師活動：在教室內進行打靶比賽過程中，利用手機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。以箭矢射出時的位置為坐標原點，以水平和豎直方向為x軸、y軸，建立平面直角坐標系。教師出示箭矢在空中飛行的實物圖及軌跡圖（如圖3）。

學生活動：從熟悉的平拋運動入手，運用類比的方式分析箭矢在空中的力學特點（暫時不計空氣阻力），包括水平和豎直方向的速度、加速度等，進而推斷箭矢的運動情況。結合軟件分析得到的軌跡圖，在教師引導下初步得出斜拋運動的軌跡是一條拋物線的結論。

教學反思：在制作箭矢的過程中，學生可以自行設計箭矢的顏色、形狀和箭身上的圖案等，將個性特點融入其中，培養其審美意識和創新思維。學生親身參與比賽，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律數學化，使之完整清晰地呈現在學生面前，使物理學習更為直觀。

（二）斜拋運動的射程與軌跡表達式

學生參與前面的活動，已知曉斜拋運動軌跡為一條拋物線，但對于其背后的原理認識還不夠深入。接下來，從實驗與理論兩方面探究斜拋運動的規律。