STEAM課程理念下的高中物理實驗設(shè)計
——以基于Arduino探究小車速度隨時間變化規(guī)律為例

李 偉，竇國慧，田 爽

(東北師范大學(xué) 附屬中學(xué)，吉林 長春 130022)

在飛速發(fā)展的科技創(chuàng)新背景下，STEAM教育已經(jīng)在全世界引起了強(qiáng)烈影響及廣泛關(guān)注. 與中國傳統(tǒng)單學(xué)科教學(xué)方式相比，STEAM教育突破了學(xué)科之間的獨(dú)立性，更加關(guān)注學(xué)科之間的聯(lián)系. 東北師范大學(xué)附屬中學(xué)將STEAM教育理念作為一劑催化劑應(yīng)用于課堂教育中，堅持“以學(xué)生為本”原則,通過科學(xué)整合的方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識和技能，并將內(nèi)容靈活遷移解決真實問題，使學(xué)生成為各行業(yè)所需的高素質(zhì)創(chuàng)新性人才. 本文正是學(xué)校在推進(jìn)STEAM在中學(xué)課堂落地的案例總結(jié)，旨在為中學(xué)STEAM教育的實施提供參考范式.

1 STEAM教育理念

20世紀(jì)末期,美國教育學(xué)家Yakman教授提出了將科學(xué) (Science) 、技術(shù) (Technology) 、工程 (Engineering) 、藝術(shù) (Arts) 和數(shù)學(xué) (Mathematics) 等學(xué)科在教學(xué)過程中整合成多元化互動式教育理念，即STEAM教育理念[1]. STEAM教育是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程和藝術(shù)解讀科學(xué)和技術(shù)，強(qiáng)調(diào)課堂設(shè)計的延展性, 旨在開發(fā)學(xué)生潛在的探索能力、創(chuàng)造能力、互動能力及開拓能力[2].

物理實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和延伸問題的能力，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體. 傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)主要是教師講授，學(xué)生動手操作，導(dǎo)致學(xué)生所掌握的知識缺乏結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)性，同時，學(xué)生所學(xué)物理知識與社會生產(chǎn)和生活脫節(jié)，削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣[3-4].

將STEAM 教育融入物理實驗教學(xué)內(nèi)容中，可以有效改善傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端. STEAM課程理念下的物理實驗教學(xué)需要在教學(xué)過程中滲透基于物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用、注重數(shù)學(xué)運(yùn)算、聯(lián)系物理學(xué)前沿動態(tài)以及現(xiàn)代技術(shù)等，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)重組和擴(kuò)展，引導(dǎo)學(xué)生將物理與技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)進(jìn)行整合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[5-6].

探究小車速度隨時間變化的規(guī)律實驗是中學(xué)物理中的基本實驗，它對學(xué)生理解勻變速直線運(yùn)動規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力、數(shù)字化實驗?zāi)芰τ休^好的輔助作用. 我校以STEAM教育理念為切入點, 結(jié)合普通高中測量小車運(yùn)動速度隨時間變化的實驗案例, 探討如何在STEAM教育理念指導(dǎo)下開展物理實驗課程的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計.

2 STEAM教學(xué)理念下物理實驗的改進(jìn)

選取的問題是如何準(zhǔn)確高效獲得物體運(yùn)動速度隨時間的變化，取材于物理教學(xué)中的真實問題，可以突出體現(xiàn)STEAM教育中的跨學(xué)科性、趣味性、體驗性、協(xié)作性、情境性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性等本質(zhì)特征.

2.1 傳統(tǒng)實驗裝置及其弊端

在傳統(tǒng)實驗中，利用電磁打點計時器研究小車在重物牽引下的運(yùn)動，觀察小車速度隨時間變化是教材中學(xué)生需要掌握的實驗. 實驗原理是通過記錄和測量紙帶上兩點的時間間隔和距離，利用加速直線運(yùn)動的相關(guān)知識計算得出物體運(yùn)動中各點的瞬時速度，討論瞬時速度隨時間的變化規(guī)律. 實驗裝置圖如圖1所示.

圖1 基于打點計時器的傳統(tǒng)實驗裝置

使用打點計時器進(jìn)行實驗的誤差主要來源是：運(yùn)動的紙帶與打點計時器的限位孔之間存在摩擦力以及打點計時器的振針與紙帶間的摩擦阻力. 另外，傳統(tǒng)實驗使用的實驗器材主要是打點計時器、刻度尺等，使用這些器材做實驗時，實驗數(shù)據(jù)的讀取、記錄、分析、處理是由學(xué)生完成的，所需時間較長，減少了課堂上學(xué)生獨(dú)立分析、深度思考的時間.

2.2 改進(jìn)的實驗裝置

圖2為改進(jìn)的實驗裝置圖. 利用亞克力板作為小車運(yùn)動導(dǎo)軌、超聲波固定架材料. 亞克力板表面光滑，可減少小車在運(yùn)動過程中的摩檫力，在軌道中間制作2排與車輪間距同寬的凹槽，其作用是保證小車的運(yùn)動軌跡為直線；另外，利用CATIA三維建模軟件設(shè)計實驗小車幾何模型，其模型如圖3所示，并使用Einstart-S桌面3D打印機(jī)打印小車模型，如圖4所示.

圖2 改進(jìn)實驗裝置圖

圖3 實驗小車三維幾何模型

圖4 Einstart-S桌面3D打印機(jī)正在打印實驗小車

為避免打點計時器測量誤差問題的出現(xiàn)，本文將電磁打點計時器替換為HC-SR04超聲波傳感器，如圖5所示. HC-SR04超聲波傳感器可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)±3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及控制電路. 通過控制電路記錄超聲波發(fā)送及返回的時間，從而獲得距離.

圖5 HC-SR04超聲波傳感器實物圖

Arduino是開源的輸入/輸出的微控制器電路板，它可以通過各種各樣的傳感器感知環(huán)境，同時通過執(zhí)行元件反饋和影響環(huán)境. Arduino在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在實驗教育領(lǐng)域，為教育設(shè)計和教學(xué)實踐帶來了創(chuàng)新的思路和方法，對豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)方法、提高學(xué)習(xí)體驗具有促進(jìn)作用，因此可以用Arduino及HC-SR04超聲波傳感器共同作用設(shè)計完成物理實驗[7].

在該部分中，充分體現(xiàn)了學(xué)科知識的整合取向. 通過建構(gòu)小車的三維數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型，利用計算機(jī)編程實現(xiàn)小車3D打印原型的設(shè)計，再通過高精度超聲波傳感器實現(xiàn)距離的有效測量，將數(shù)學(xué)、計算機(jī)、藝術(shù)、電子電路等學(xué)科進(jìn)行有效整合.

2.3 實驗原理

如圖6所示為超聲波測距原理圖.

圖6 超聲波測距原理圖

在傳統(tǒng)實驗中，用相鄰兩點間的平均速度表示兩點間某處的瞬時速度，本文沿用上述原理確定小車運(yùn)動過程中的瞬時速度.

圖7所示為實驗中小車運(yùn)動至P點后繼續(xù)水平向右運(yùn)動情況示意圖，假設(shè)小車運(yùn)動至Q點時，超聲波接收器再次接收反射波，且發(fā)射聲波與接收聲波的時間間隔為t1，結(jié)合圖2可確定P和Q兩點間某點的瞬時速度為

圖7 小車運(yùn)動示意圖

(1)

STEAM教學(xué)不能憑空想象，必須以準(zhǔn)確的科學(xué)原理為依托，獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)知識掌握仍然是基礎(chǔ). 因此在這一部分中，學(xué)生必須提前對物體運(yùn)動速度的獲得原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，這也說明了STEAM教學(xué)的設(shè)計性非常重要.

2.4 實驗步驟

首先，學(xué)生在水平方向上對小車進(jìn)行受力分析，由于小車受到拉力和滑動摩擦力，故確定小車所做運(yùn)動為變速直線運(yùn)動. 其次，考慮到STEAM教學(xué)模式實施時具有一定難度，因此建議該實驗以小組協(xié)作的方式展開，為學(xué)生提供Arduino UNO開發(fā)板、HC-SR04超聲波傳感器、重物、載物桶、細(xì)線、滑輪等器材，讓學(xué)生初步設(shè)計實驗方案，思考實驗改進(jìn)方法. 最后，使用計算機(jī)、Einstart-S桌面3D打印機(jī)等設(shè)備設(shè)計并制作實驗裝置所需結(jié)構(gòu)，并通過HC-SR04超聲波傳感器測出小車移動時的位移，并使用電腦收集數(shù)據(jù)，通過Origin處理數(shù)據(jù)，得出小車的速度隨時間變化規(guī)律，具體步驟如下：

1)固定小車，將重物放置在載物桶中，細(xì)線繞過滑輪，調(diào)節(jié)細(xì)線位置，使重物自然下垂；

2)調(diào)節(jié)HC-SR04超聲波傳感器位置，使傳感器正對小車擋板；

3)開啟HC-SR04超聲波傳感器，使傳感器處于工作狀態(tài)；

4)迅速釋放小車，在重物的拉力下小車做加速運(yùn)動，同時記錄實驗數(shù)據(jù)，使用Origin繪制速度-時間圖像；

5)關(guān)閉HC-SR04超聲波傳感器，整理實驗器材.

2.5 實驗測試及結(jié)果

通過多次實驗后，計算機(jī)收集的位移和時間數(shù)據(jù)及根據(jù)位移和時間計算出各時刻瞬時速度，如表1所示，將速度時間繪制為曲線如圖8所示. 從圖8可知，圖像分為3個區(qū)域，A區(qū)域是小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，B區(qū)域是小車在重物作用下做加速運(yùn)動的過程，C區(qū)域是小車運(yùn)動至導(dǎo)軌盡頭，減速并停止運(yùn)動的區(qū)域.

表1 小車速度隨時間變化的數(shù)據(jù)

圖8 小車運(yùn)動的v-t圖象

3 STEAM教育理論下實驗結(jié)果分析

在改進(jìn)后實驗過程中，實驗數(shù)據(jù)收集及整理用時3 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用打點計時器后數(shù)據(jù)處理所需時間；數(shù)據(jù)采集由計算機(jī)輔助完成，偶然誤差幾乎可以忽略；在系統(tǒng)誤差方面，HC-SR04超聲波傳感器具有較高的精度，系統(tǒng)誤差??；在實驗設(shè)計方面，以STEAM教育理念為基礎(chǔ)，結(jié)合工程技術(shù)、信息技術(shù)及數(shù)學(xué)相關(guān)知識設(shè)計并開展實驗，其中所涉及的STEAM學(xué)科知識如表2所示. 與傳統(tǒng)基于打點計時器的實驗相比，學(xué)生有更多的時間進(jìn)行自主思考與探究，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力、數(shù)字化實驗?zāi)芰?，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性. 改進(jìn)實驗裝置操作簡單，可以方便地帶入課堂演示，也可讓學(xué)生動手操作制作實驗裝置，實現(xiàn)了計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗技術(shù)的整合，便于學(xué)生將課堂理論知識的學(xué)習(xí)與實踐探究更好地結(jié)合.

雖然基于STEAM教育理念物理實驗設(shè)計在課程設(shè)計環(huán)節(jié)及教學(xué)質(zhì)量均有明顯優(yōu)勢，但改進(jìn)后的物理實驗，課程任務(wù)周期長，占用大量的教學(xué)時間，且授課教師及學(xué)生需掌握一定的技術(shù)及工程方面的相關(guān)知識，使得STEAM教育理念在我國現(xiàn)階段教育中無法廣泛應(yīng)用于全部的高中物理實驗教學(xué)中，因此，可將其作為綜合實踐類物理實驗課程及探究類物理實驗課程的首選模式.

表2 實驗中涉及的STEAM知識

4 結(jié)束語

基于STEAM教育理念進(jìn)行的物理實驗，與傳統(tǒng)物理實驗不同，不再局限于學(xué)科本身，而是將技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)與高中物理相結(jié)合，更直觀地展現(xiàn)小車的運(yùn)動過程中物理現(xiàn)象和物理規(guī)律，鼓勵學(xué)生通過合作和交流的形式進(jìn)行探究，把學(xué)生的學(xué)習(xí)和跨學(xué)科課程設(shè)計相結(jié)合，為探究基礎(chǔ)物理實驗的創(chuàng)新和改革提供新思路及新方向.