基于STEAM的高中物理核心素養(yǎng)培育——以“橋梁模型創(chuàng)意賽”為例

陳榮天

（福建省德化第一中學(xué)，福建 泉州 362500）

物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)下，教師以實踐活動為載體，促成學(xué)生物理觀念的凝練、科學(xué)思維的養(yǎng)成、實驗探究能力的提升和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的形成，是物理教學(xué)改進(jìn)的思路之一.橋梁模型創(chuàng)意賽是提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一種實踐路徑.而STEAM教育是當(dāng)前國內(nèi)較為活躍的教育方式，它強調(diào)學(xué)習(xí)者在工程問題解決過程中，對科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)學(xué)科的綜合應(yīng)用.［1］可以說，STEAM教育與物理學(xué)科核心素養(yǎng)在學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)方面是不謀而合的.

當(dāng)前，物理學(xué)科教學(xué)中，依然存在理論與實踐結(jié)合不夠緊密的困境，如何靈活而有效地將紙上習(xí)得的物理知識轉(zhuǎn)化為實際問題解決的良方一直是物理教學(xué)的關(guān)鍵.近年來，學(xué)校積極開展校本課程、研究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)客等實踐活動，旨在讓學(xué)生通過“做中學(xué)”，以實踐經(jīng)驗為依托，形成對理論的感性認(rèn)識，讓理論與實踐反復(fù)交融，進(jìn)而迸發(fā)問題解決方法之靈感，真正提升物理學(xué)科素養(yǎng).那么，教師如何在實踐活動中具體落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)成為問題的關(guān)鍵.

2021年1月，筆者指導(dǎo)了以解決橋梁承重問題為背景的橋梁模型創(chuàng)意比賽，并全程帶領(lǐng)一支隊伍參賽.本次活動是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的一次探索.現(xiàn)以這場“橋梁模型創(chuàng)意賽”為例，探索如何在實踐活動中結(jié)合STEAM教育理念培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).

1 凝煉工程問題 整合物理觀念

1.1 凝煉工程問題

本次比賽以一則國際新聞為背景：2020年4月意大利托斯卡納區(qū)的一座公路橋發(fā)生嚴(yán)重垮塌，垮塌時橋面有兩輛貨車在行駛，所幸僅有2名人員受傷無生命危險.此次比賽以該新聞為背景，向?qū)W生強調(diào)在實際生產(chǎn)生活中橋梁的建造需要綜合考量荷重能力和安全因素.由此如何設(shè)計和建造一座荷重能力強且安全性能高的橋梁成為本次比賽的主題.

1.2 整合物理觀念

本次比賽的參賽對象為高二年級學(xué)生，要求以班級為單位報送參賽作品，規(guī)定橋梁模型的制作材料為：統(tǒng)一提供的A2硬卡紙2張、冰棒木棍20根、膠水若干（不限種類），模型制作時間約為1個月，比賽當(dāng)天要求學(xué)生提交橋梁模型、橋梁設(shè)計書（包含設(shè)計構(gòu)思、模型設(shè)計圖、制作工藝、創(chuàng)新與改進(jìn)），并推選1名代表進(jìn)行現(xiàn)場匯報和答辯，最后由5名教師組成的評委團(tuán)當(dāng)場測量橋梁荷重比與撓挎比，按照評分細(xì)則對各項考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分，取平均分作為參賽隊伍最終成績.

橋梁的承載量決定了橋梁的交通運載能力，承載量又與荷重比有關(guān)，橋梁的安全性能更是橋梁設(shè)計的關(guān)鍵點，而橋梁的安全性與橋梁撓度、撓挎比等緊密聯(lián)系，這些多數(shù)為工程力學(xué)中的概念，對學(xué)生來說是全新的、未知的.因此，指導(dǎo)教師如何引導(dǎo)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識與技能進(jìn)行建模分析，尤為關(guān)鍵.例如，為了提升橋梁的荷重比與撓挎比，可以構(gòu)建靜力學(xué)的力矩平衡模型進(jìn)行分析；為了提升橋梁的交通運載能力，需要學(xué)生調(diào)用物理學(xué)科中的運動觀念、相互作用觀念以及能量觀念等.通過本次活動，學(xué)生的物理觀念得到極大提升.

活動以班級為單位，學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作.在模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新等過程中，將先前的理論知識進(jìn)行應(yīng)用與實踐.表1是對參賽設(shè)計書的整理，為了盡可能再現(xiàn)比賽原況，表中的陳述均直接摘錄學(xué)生遞交的橋梁模型設(shè)計書原文（表中作品順序即為成績排序）.

表1所展現(xiàn)的是學(xué)生關(guān)于橋梁設(shè)計的思考.從中我們不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對橋梁的荷重比、撓挎比等關(guān)鍵因素有著較為全面、深入的理解.橋梁設(shè)計思路充分體現(xiàn)了學(xué)生的物質(zhì)觀、相互作用觀等物理觀念.這些初步的物理觀念正是他們運用理論知識解決橋梁模型設(shè)計這一實際工程問題的前提，在模型設(shè)計和制作過程中為其提供具體的科學(xué)探究途徑，為問題解決保駕護(hù)航.經(jīng)歷這樣的實踐探索過程，學(xué)生對所學(xué)的理論知識有了感性的認(rèn)識，對工程問題關(guān)鍵點的把握有了生動的體驗，這些經(jīng)驗有助于物理觀念的凝練.

2 把握科學(xué)思維 挖掘技術(shù)重難

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗、修正，進(jìn)而提高創(chuàng)造性見解的能力與品格，包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.［2］從所收集的橋梁設(shè)計書中，我們看到，一方面，多數(shù)參賽小組在橋梁設(shè)計前進(jìn)行了資料收集，基本了解現(xiàn)有的幾種橋梁結(jié)構(gòu)類型，并對各種橋梁結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行深入分析、歸納其優(yōu)劣勢.在所提交的8組作品里，有5組作品采用了混合型構(gòu)造，這充分說明學(xué)生在設(shè)計構(gòu)思這一環(huán)節(jié)，能從工程和物理的視角對橋梁的分類與本質(zhì)進(jìn)行認(rèn)識，然后通過綜合分析設(shè)計出一種符合比賽規(guī)則所要求的高荷重比、低撓度比的橋梁模型.另一方面，學(xué)生在具體模型細(xì)節(jié)的構(gòu)思中，還融入了不少衍生學(xué)、化學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等，來克服技術(shù)層面的難點.例如：第1組發(fā)現(xiàn)單純硬卡紙的強度有限，但是利用α-氰基丙烯酸乙酯進(jìn)行表面處理時，其剛性強度將大幅度增強，原因是α-氰基丙烯酸乙酯滲透到硬卡紙中發(fā)生加聚反應(yīng)，生成更堅硬的聚合物，從而使得硬卡紙形成“甲殼”；第2組為了增加橋梁承重性，橋面材料使用波浪瓦楞紙，由于瓦楞紙面特殊的折疊方式可以將其上表面受到的壓力通過夾角約為60°的三角形受力面?zhèn)鬟f至下方，從而進(jìn)一步增加承重力；第7組受蜂巢的建造啟發(fā)，橋臺由108個正六棱柱構(gòu)成，使得橋體結(jié)構(gòu)更加緊實等.以上關(guān)于技術(shù)方面的應(yīng)用案例只是參賽學(xué)生集思廣益的一小部分，卻將學(xué)生在解決問題過程中所擁有的開放而富有創(chuàng)造力的科學(xué)思維體現(xiàn)得淋漓盡致.

3 研磨設(shè)計方案 落實科學(xué)探究

科學(xué)探究是指基于觀察和實驗，提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究進(jìn)行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.［2］從學(xué)生的設(shè)計書中我們看到，參賽學(xué)生們關(guān)于橋梁模型的設(shè)計構(gòu)思環(huán)節(jié)，不僅在前期的資料收集環(huán)節(jié)有著十分深廣的研究，而且對于新式橋梁模型的設(shè)計更是有著極為大膽的創(chuàng)新嘗試，然而并不是所有的靈感和理想都能順利地落于實際.據(jù)各參賽小組的指導(dǎo)教師反映，學(xué)生們在把紙面的理論知識應(yīng)用到實踐環(huán)節(jié)時，常常會因為客觀條件缺乏或主觀能力有限等原因，而無法達(dá)到預(yù)期效果.因此，在現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)中，評委教師有意向?qū)W生提出這樣一個問題：“在模型的實際制作過程中，有沒有哪些最初設(shè)想是你們沒有達(dá)成或很難達(dá)成的呢？若有，請談?wù)勚饕颉?這個問題的背后實則蘊含著對學(xué)生是否具備科學(xué)探究能力的檢驗.從現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)中來看，我們發(fā)現(xiàn)幾乎每組參賽學(xué)生都在模型的制作過程中遇到與構(gòu)思存在偏差的難題，卻僅有2組參賽學(xué)生堅持反復(fù)試驗，最終解決了困難.例如：第1組參賽學(xué)生利用懸索塔內(nèi)部的5個定滑輪來改變懸索塔受到的拉力方向，而如何根據(jù)具體的模型結(jié)構(gòu)對這5個定滑輪進(jìn)行空間排布，達(dá)成既保證繩索受力未超出其彈性限度，又使最終的合力方向豎直向下的效果，卻需要制作者通過多次的嘗試組合反復(fù)調(diào)整才能完成.從模型實物以及答辯學(xué)生的闡述中獲悉，該組學(xué)生經(jīng)歷了近20種方案的嘗試，才最終確定滑輪的組合方式，達(dá)成預(yù)期效果.然而，8個隊伍中還有另外6個參賽小組未能順利解決他們在制作過程中所遇到的問題.通過賽后的訪談?wù){(diào)查得知，大部分學(xué)生先前的科學(xué)探究經(jīng)驗較少，因此在遇到技術(shù)難題時，無從入手，他們對于證據(jù)的提煉、模型的建立、物理現(xiàn)象的解釋等具體要素的把握還有所欠缺，這一方面是指導(dǎo)教師在今后的教學(xué)與指導(dǎo)實踐的主要方向.

4 形成科學(xué)態(tài)度 樹立社會責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識“科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境”上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是和持之以恒以及遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感，主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等要素.［2］本次橋梁模型創(chuàng)意比賽，指導(dǎo)教師在多個環(huán)節(jié)中注重指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，樹立學(xué)生的社會責(zé)任感.首先，在文獻(xiàn)整理環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師要求學(xué)生調(diào)研整理國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)類型，并著重分析不同橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理以及它們所適用的生產(chǎn)情境和自然環(huán)境背景等，這點在各參賽小組的計劃書中有直觀體現(xiàn)，如：有的小組利用圖片和表格進(jìn)行歸納，還有的小組利用思維導(dǎo)圖的形式進(jìn)行梳理.這一換節(jié)中，學(xué)生們體會到了橋梁對于道路運輸?shù)那擅钭饔?，感受到了橋梁建筑歷史的發(fā)展進(jìn)程，更體驗了認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)的具體過程.其次，在模型制作環(huán)節(jié)，為獲得高荷重比、低撓挎比的橋梁模型，學(xué)生們在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，對于橋梁零件的細(xì)節(jié)調(diào)整力求完美，通過無數(shù)次嘗試和實驗最終使模型達(dá)成最理想狀態(tài).例如：第5組參賽學(xué)生為了獲得更高的荷重比，幾十次調(diào)節(jié)橋梁頂端與橋跨鏈接的繩索角度、長度以及橋底支架的高度、間距，反復(fù)進(jìn)行實驗驗證，最終才確立了模型細(xì)節(jié).最后，從現(xiàn)場匯報環(huán)節(jié)中，我們可喜地看到了學(xué)生們強烈的社會責(zé)任感，如第3組參賽作品名為“榕龍橋”，其設(shè)計初衷是為了致力于家鄉(xiāng)的交通運輸，在橋面中間設(shè)立的護(hù)欄內(nèi)填充了特制的填充物，這樣既可以在夜晚的行車過程中隔絕對向車道車輛的遠(yuǎn)光燈，還可以在發(fā)生事故時提供緩沖，這個作品不僅體現(xiàn)學(xué)生的社會奉獻(xiàn)精神，還體現(xiàn)了學(xué)生對安全問題的細(xì)致考慮；第7組作品為一體兩橋，預(yù)計建于漁村，上橋面名為“漁鄉(xiāng)”，下橋面取名為“比弗洛斯特”，意為通往天國，彩色六棱柱體可以是巨大風(fēng)口或磁體，將下橋面的車輛托起通行，該橋梁并沒有對現(xiàn)實中橋梁形式進(jìn)行模仿，而是對未來橋梁的想象和思考.教師通過比賽的各個環(huán)節(jié)，注重培養(yǎng)學(xué)生充分認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、利用技術(shù)積極解決問題、形成社會責(zé)任感以及改變世界的使命感，從而學(xué)有所用、學(xué)以致用，真正彰顯物理學(xué)科的育人價值.

5 結(jié)束語

高中物理教學(xué)中，學(xué)生往往缺乏對物理知識的感性體驗.因此，學(xué)校教育若能在完成課標(biāo)任務(wù)之余多多開展相關(guān)實踐活動，教師在此中擔(dān)任好引導(dǎo)者的角色，為學(xué)生的科學(xué)探索保駕護(hù)航，幫助學(xué)生克服困難，達(dá)成目標(biāo)，那么學(xué)生才有機會將紙上得來的知識通過一系列復(fù)雜和反復(fù)的實踐活動將其驗證和升華，［3］從而促成物理核心素養(yǎng)的提升.

STEAM教育的核心是鍛煉學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生通過親身體驗，深刻領(lǐng)會科學(xué)與真理.本次的“橋梁模型創(chuàng)意賽”，以時事新聞作比賽背景為問題的提出創(chuàng)設(shè)了情景，前期凝煉工程問題，明確荷重比、撓挎比是作為衡量橋梁工程的重要指標(biāo)，建立物理模型，強化物理觀念，學(xué)生獲得了扎實的理論知識，它們是模型創(chuàng)作整個過程的生長點.通過親身體驗橋梁模型的設(shè)計、制作、改進(jìn)等過程，既得到了對橋梁設(shè)計的感性體驗，也獲得了自身綜合素養(yǎng)的實質(zhì)提升.現(xiàn)場展示和答辯環(huán)節(jié)，不但鍛煉了學(xué)生的臨場表達(dá)能力，評委教師對橋梁模型提出的批判與質(zhì)疑，更是進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生的反思與改進(jìn).

物理學(xué)科核心素養(yǎng)與STAEM教育的關(guān)鍵在于提高學(xué)生的綜合能力.一方面，本次橋梁模型創(chuàng)意比賽，不僅對學(xué)生的科學(xué)探究與科學(xué)思維素養(yǎng)有著較明確的培養(yǎng)環(huán)節(jié)設(shè)置，而且在現(xiàn)場展示和答辯環(huán)節(jié)中，學(xué)生利用科學(xué)知識解決工程問題的能力和勇于質(zhì)疑的精神也有良好體現(xiàn).另一方面，我們也看到了當(dāng)前學(xué)生的科學(xué)探究能力較為薄弱，多數(shù)學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問題的能力，但卻只有少數(shù)學(xué)生能解決部分實際問題.因此，對于物理教師而言，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)做好引導(dǎo)者和輔助者的角色，鼓勵學(xué)生大膽提出猜想，勇于創(chuàng)新，借助所學(xué)知識解決具體問題，不怕失敗，勇敢嘗試，大膽而靈活地將知識運用到實際生產(chǎn)生活中去，［4］從而實現(xiàn)STEAM教育的真正意義，進(jìn)而提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)，成為21世紀(jì)具有競爭力的人才.