基于STEAM理念的物理創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)

李隆

摘 要：根據(jù)國務(wù)院辦公廳發(fā)布的普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見，新課改中要求發(fā)揚(yáng)“自主、合作、探究”的教學(xué)模式，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只要求學(xué)生掌握書本給出的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作。通過一個(gè)具體實(shí)踐從STEAM教育的角度，引導(dǎo)學(xué)生思考分析并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真正做到“學(xué)中做，做中學(xué)”。

關(guān)鍵詞：STEAM實(shí)驗(yàn);物理教學(xué);學(xué)習(xí)情境

一、物理實(shí)驗(yàn)教育可以轉(zhuǎn)化為一種項(xiàng)目化的STEAM教育

首先，STEAM教育是在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）、藝術(shù)學(xué)科（Art）的教育。其次，物理實(shí)驗(yàn)教育是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，是以物理學(xué)科的概念和原理為中心，以制作物理實(shí)驗(yàn)儀器并利用物理實(shí)驗(yàn)儀器解決問題，在真實(shí)世界中借助多種資源開展探究活動(dòng)，并在一定時(shí)間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)問題的探究性學(xué)習(xí)模式。因此在STEAM教育理念指導(dǎo)下，以物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)為主陣地，以創(chuàng)新改良的物理實(shí)驗(yàn)儀器為載體進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是符合時(shí)代發(fā)展要求的教學(xué)方式的創(chuàng)新與改進(jìn)。

二、STEAM教育是一種高效的情境化的學(xué)習(xí)模式

STEAM教育提倡在情境中學(xué)習(xí)，從真正意義上掌握所學(xué)的知識(shí)?；赟TEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是在物理實(shí)驗(yàn)構(gòu)成的實(shí)際情境中，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)來解決的問題。這種學(xué)習(xí)情境是任務(wù)驅(qū)動(dòng)的，是學(xué)習(xí)者在分析討論后形成的解決方案，知識(shí)和能力都是在互動(dòng)的過程中生成，這就是一種高效的學(xué)習(xí)情境。它能夠體現(xiàn)新課改理念、發(fā)揮學(xué)生的主體性、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生在教師有效的引導(dǎo)下，自主合作學(xué)習(xí)變得具有可操作性，并能讓自主合作學(xué)習(xí)成為學(xué)生一種自發(fā)的習(xí)慣。

三、基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.引入環(huán)節(jié)，利用創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)游戲情境，激活學(xué)生思維

我們使用創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)來引入課題時(shí)，需要注意下面幾點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是令學(xué)生驚奇的、故事化的實(shí)驗(yàn)情境，黑箱化的實(shí)驗(yàn)儀器，歷史實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)等。例如：在“機(jī)械能守恒”這節(jié)課的引入環(huán)節(jié)教師就可以用一個(gè)巨大的鐵球，從學(xué)生鼻尖處釋放，但它返回時(shí)并不會(huì)碰到學(xué)生來引入?！百だ詫?duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一課中，我們可以重現(xiàn)歷史上的實(shí)驗(yàn)方法，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的過程。在“閉合電路歐姆定律”中，把電路隱藏，通過開關(guān)閉合影響燈泡的明亮度來引發(fā)學(xué)生的思考。在“電荷”這節(jié)課中，教師利用感應(yīng)起電，用帶電的橡膠棒接近帶電小球，再通過學(xué)生手碰小球便可以控制小球是否帶電通過小魔術(shù)實(shí)驗(yàn)來引入，可以讓全場(chǎng)轟動(dòng)。

2.新課教學(xué)環(huán)節(jié)，利用創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考提出實(shí)驗(yàn)要求，提升學(xué)生合作探究的素養(yǎng)

在新課教學(xué)環(huán)節(jié)，將教學(xué)內(nèi)容合理設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)來提出問題，學(xué)生通過解決問題來學(xué)習(xí)知識(shí)獲得能力。例如在探究安培力的大小和方向時(shí)，教師通過演示實(shí)驗(yàn)提出問題，讓學(xué)生思考影響安培力大小和方向的因素。學(xué)生提出猜想后，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，通過初步的驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)和電流的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長度以及導(dǎo)線和磁場(chǎng)的方向有關(guān)。之后再引導(dǎo)學(xué)生討論如何定性定量去研究這些影響因素和安培力的具體關(guān)系。教師最后展示一個(gè)可以定量探究的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生體會(huì)其中的設(shè)計(jì)過程。

3.課后布置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作業(yè)，開放實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供主動(dòng)學(xué)習(xí)的場(chǎng)所

課后學(xué)生可以到創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室研究制作創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生首先需要知道物理原理，這就促進(jìn)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)。在設(shè)計(jì)制作的過程中，學(xué)生思考分析，可以深入理解物理知識(shí)，同時(shí)在動(dòng)手制作的過程中提升學(xué)生設(shè)計(jì)制作的能力。整個(gè)過程是學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)，同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)和老師，運(yùn)用新知識(shí)來解決實(shí)際的問題。這對(duì)于提升他們的創(chuàng)新能力是一種非常有效的手段。

實(shí)驗(yàn)室還有教師制作的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以欣賞分析其中蘊(yùn)含的物理原理，了解其制作的過程，激發(fā)他們自己去制作自己去學(xué)習(xí)的激情。

四、基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)踐

人教版《物理》選修“3-1庫侖定律”這節(jié)內(nèi)容的課本實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)原理圖，很難操作成功。因此我們進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了下面的實(shí)驗(yàn)方案來進(jìn)行教學(xué)。

利用范式起電機(jī)作為帶電小球，使鋁箔環(huán)帶上同種電荷，再加上暖燈的烘干，使得AB的帶電量在一定程度上可以認(rèn)為不變，從而可以定量研究他們之間的庫倫力與哪些因素有關(guān)。實(shí)現(xiàn)了庫侖定律的定量研究。

實(shí)驗(yàn)步驟：1.保持q1、q2不變，探究F與r的關(guān)系

（1）組裝好實(shí)驗(yàn)儀器，接通電源，打開范式起電機(jī)和暖燈，讓其運(yùn)行幾分鐘時(shí)間。一是烘干器材，二是等起電機(jī)帶點(diǎn)球的電量穩(wěn)定。

（2）用鋁箔環(huán)接觸帶點(diǎn)球，讓其帶電。調(diào)整細(xì)線以及AB間距離r的大小，使得x值比較大（但整個(gè)實(shí)驗(yàn)中θ一直保持較小，避免高度變化過大），同時(shí)AB處于同一水平面上。移動(dòng)積木塊，直到氣球桿擋住鋁箔環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。

（3）移動(dòng)鐵架臺(tái)，改變r(jià)的大小，重新記錄數(shù)據(jù)。填入下表中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以到點(diǎn)電荷間的庫侖力與距離的平方成反比

qA、qB為A、B的帶電量，r為A球球心到B的距離，F(xiàn)為AB之間的作用力

思考題：tanθ=? ? ? （用h、x表示）

帶入F=mgtanθ可得電荷間相互作用力F=? ________

所以F1∶F2=? ? ? （用x1 x2表示）

2.保持距離r不變，探究F與q1、q2的關(guān)系

重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2，記錄數(shù)據(jù)，并用積木塊記錄下鋁箔環(huán)的位置。接著用一完全相同的不帶電的鋁箔環(huán)去接觸帶電的鋁箔環(huán)。接觸后擺角減小，重新調(diào)整鐵架臺(tái)位置，直到鋁箔環(huán)回到積木塊記錄的位置為止。讀出x值記錄數(shù)據(jù)。（由于接觸帶電的特點(diǎn)，接觸后電量變?yōu)樵瓉淼囊话耄┑玫近c(diǎn)電荷間的庫侖力與點(diǎn)電荷的電荷量成正比。

用一不帶電的完全相同的鋁箔環(huán)接觸后B帶電量qB，變?yōu)開______

五、總結(jié)

物理作為高中科學(xué)領(lǐng)域中的一門重要學(xué)科，迫切需要我們?nèi)ニ伎既绾螌TEAM教育的理念與物理教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，從而提高物理教學(xué)和學(xué)生的創(chuàng)造能力。通過物理創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)，老師和學(xué)生都有了明顯的進(jìn)步，學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)多了很多，學(xué)習(xí)興趣也提高了不少，喜歡提出問題，更喜歡靠自己去探索來解決問題，并且還有了不少的制作成品。老師在教學(xué)方式上也有了改變，不再是一言堂式的灌輸，讓學(xué)生從做中學(xué)，從玩樂中體驗(yàn)理解物理的知識(shí)。經(jīng)過這幾年的嘗試，事實(shí)證明了學(xué)生并不缺乏發(fā)現(xiàn)問題的智慧，而是缺乏解決問題的意識(shí)和機(jī)會(huì)。因此，基于STEAM理念的物理創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)是可行的。

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編輯 喬彥鵬