莫敏

開展STEM教育是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流的必要舉措。2018年教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，要求發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，變革傳統(tǒng)模式，推進(jìn)新技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，真正實(shí)現(xiàn)從融合應(yīng)用階段邁入創(chuàng)新發(fā)展階段。在這一政策的指引下，筆者基于編程環(huán)境，結(jié)合高中物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科開展STEM教育，優(yōu)化教學(xué)方案，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

一、手機(jī)編程軟件融合STEM教育助力物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Tech-

nology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Math）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，其中科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)意義在于幫助人類認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律;技術(shù)和工程則可幫助人類在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界，實(shí)現(xiàn)與自然界和諧共處，解決社會(huì)發(fā)展過程中遇到的難題;數(shù)學(xué)則是技術(shù)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具。STEM教育意義重大，但實(shí)施起來存在一些阻力：一些學(xué)生以為STEM教育是只針對某個(gè)學(xué)科的教育且偏離學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)要求，擔(dān)心會(huì)耗費(fèi)太多精力;還有一些學(xué)生以為STEM教育活動(dòng)只能在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室開展;教師設(shè)計(jì)的STEM課程難度過大，部分學(xué)生常有挫敗感。

為克服教學(xué)中遇到的阻力，筆者結(jié)合STEM教育的要求，以“拋體運(yùn)動(dòng)”為例，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)使用手機(jī)編程軟件App Inventor編寫程序的同時(shí)鞏固物理和數(shù)學(xué)知識(shí)，強(qiáng)化對規(guī)律和公式的記憶，再拋出考試真題啟發(fā)學(xué)生思考、質(zhì)疑，借助生活中的物品設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行求證，讓學(xué)生在家里也能做實(shí)驗(yàn)。筆者設(shè)計(jì)的系列活動(dòng)，難度是層層遞增的，能讓不同層次的學(xué)生都能有所收獲。

二、教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與執(zhí)行

根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和接受能力情況，筆者設(shè)計(jì)了一系列教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，計(jì)劃用三個(gè)課時(shí)在電腦室完成。綜合高中物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)要求，筆者設(shè)定了教學(xué)目標(biāo)（見表1）。

在物理課堂上，學(xué)生已了解“拋體運(yùn)動(dòng)”的理想模型特征，接觸化曲為直的分析方法。筆者讓學(xué)生先參與“編寫公式，輸出軌跡”的活動(dòng)，再用運(yùn)動(dòng)軌跡反過來熟悉物理公式，實(shí)現(xiàn)對物理觀念的理解的螺旋式上升。

（一）編寫語句，輸出運(yùn)動(dòng)軌跡（以平拋運(yùn)動(dòng)為例）

學(xué)生剛接觸App Inventor，對組件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)還不熟悉。筆者先用簡單的程序語言幫助學(xué)生熟練操作并模擬運(yùn)行，讓他們體驗(yàn)編程的樂趣并收獲成就感。此外，理想模型方法是抓住主要因素（忽略次要因素）分析問題的一種方法。教學(xué)時(shí)，筆者通過平拋運(yùn)動(dòng)這個(gè)理想模型滲透物理方法，為之后研究非理想模型作鋪墊。

主要編程語言如圖1所示，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

教學(xué)時(shí)，筆者先展示主要的編程語言。輸出軌跡時(shí)，學(xué)生遇到諸如顯示軌跡不多等問題，這時(shí)筆者給學(xué)生一定的思考空間，培養(yǎng)他們自主探究的能力。

（二）查閱資料，小組展示

分析物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要考慮阻力。筆者提出問題：什么時(shí)候需要考慮阻力？阻力與什么因素有關(guān)？

查閱和收集資料是學(xué)生應(yīng)該掌握的技能，但他們往往不知道去哪里收集資料，如何收集資料。教學(xué)時(shí)，筆者要求學(xué)生登錄某公共圖書館注冊，免費(fèi)下載論文。學(xué)生分組展示學(xué)習(xí)成果，充分交流，有效表達(dá)。

（三）問題引導(dǎo)，掌握語言

筆者提出問題：若小球的水平速度為0，運(yùn)動(dòng)過程中所受的空氣阻力恒為重力的1/5，且與地面碰撞后總是以原速率反彈，如何編寫程序語言？

小球反彈的編程語句，如圖3所示。

由于小球受到阻力，向上和向下運(yùn)動(dòng)時(shí)合力大小不同。筆者要求學(xué)生對球進(jìn)行受力分析，再應(yīng)用選擇語句：如果……則……否則……

受力分析語句如圖4所示，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示（注：原運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，為方便演示而改為曲線）。

掌握并恰當(dāng)運(yùn)用語句，如輸入和輸出語句、賦值語句、選擇結(jié)構(gòu)語句等，是高中學(xué)生需要具備的知識(shí)與能力。教學(xué)時(shí)，筆者讓學(xué)生先想象小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，再用編程的方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的可視化。圖5中的運(yùn)動(dòng)軌跡生動(dòng)形象地顯示了阻力的作用，這也為我們開展下一個(gè)活動(dòng)（求運(yùn)動(dòng)軌跡的長度）埋下伏筆。

（四）應(yīng)用數(shù)學(xué)，融合教育

在上述活動(dòng)的問題的基礎(chǔ)上，筆者提出問題：若小球的水平速度為0，阻力f=0.2mg，落地時(shí)離地高度為h₁，請計(jì)算小球在空中運(yùn)動(dòng)的總路程s。

解法1：用動(dòng)能定理。

學(xué)生用全程法分析問題：mgh₁-fs=0，得到s=5h₁。

解法2：由數(shù)學(xué)歸納法。

第一次反彈的高度h₂=2h₁/3;

第二次反彈的高度h₃=2h₂/3;

……

由此歸納得第n次反彈的高度為

即為等比數(shù)列。

學(xué)生應(yīng)用等比數(shù)列的有關(guān)知識(shí)s_n=h₁+h₂h₃+…+h_n，公比為q= ≠1，得到

最后解得走過的總路程s=5h₁。在此，筆者再提出新問題——如何用流程圖表示求解過程？筆者設(shè)計(jì)的流程圖如下（如圖6）。該流程圖清晰地展示了編程中的循環(huán)結(jié)構(gòu)。教師教學(xué)時(shí)，可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)流程圖編寫循環(huán)語句（如圖7）。

筆者通過以上活動(dòng)讓學(xué)生感悟什么是物理學(xué)，就是基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。在活動(dòng)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生活用數(shù)學(xué)解決物理問題，同時(shí)，處理好數(shù)學(xué)、物理和信息技術(shù)等學(xué)科之間的關(guān)系，唯有這樣，學(xué)科才會(huì)融合互促，學(xué)生綜合能力方能提高。

（五）大膽質(zhì)疑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

筆者先用一道高考題作為引子，激發(fā)學(xué)生的好奇心。

2019年全國Ⅰ卷第18題：籃球架下的運(yùn)動(dòng)員原地垂直起跳扣籃，離地后重心上升的最大高度為H（如圖8）。上升第一個(gè)H/4所用的時(shí)間為t₁，第四個(gè)H/4所所用的時(shí)間為t₂。不計(jì)空氣阻力，則t₂/t₁滿足（）。

A.4

C.2

教學(xué)時(shí)，筆者不僅要求學(xué)生理清物理過程和物理規(guī)律，而且注重培養(yǎng)學(xué)生大膽質(zhì)疑的能力，指導(dǎo)他們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行科學(xué)探究。

基于該試題的情境，筆者提問：雖然題目中說不計(jì)空氣阻力，但是運(yùn)動(dòng)員向上跳起時(shí)真的可以忽略阻力嗎？請大家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來得出t₂/t₁的大小，實(shí)驗(yàn)器材不限，可以是生活中常見的物品，如手機(jī)等。

對于該問題，筆者留給學(xué)生一定的思考時(shí)間。教師將具有一定復(fù)雜程度的、開放性的生活場景作為任務(wù)情境來教學(xué)，可最大限度地活躍學(xué)生的思維，提高學(xué)生的動(dòng)手制作能力，達(dá)到STEM教育的目的。

關(guān)于探究運(yùn)動(dòng)員豎直向上跳起是否可以忽略阻力，學(xué)生提出以下方案。

方案一：手機(jī)應(yīng)用市場上已經(jīng)有記錄加速度的程序，可以嘗試將手機(jī)帶在身上，再原地垂直起跳。

方案二：應(yīng)用App Inventor和手機(jī)自帶的加速度傳感器，自行設(shè)計(jì)出記錄加速度的程序。

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來得出t₂/t₁的大小，有學(xué)生受到平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中求重力加速度實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，提出如下實(shí)驗(yàn)方案（見表2）。

還有一些學(xué)生提出，用秒表或者手機(jī)的連拍功能來記錄時(shí)間。筆者鼓勵(lì)學(xué)生敢于去設(shè)計(jì)和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)方案的精神，并沒有急于否定學(xué)生的想法。

該活動(dòng)與生活中的情境密切相連。筆者為達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)置問題情境，從科學(xué)探究的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案或制作實(shí)驗(yàn)器具，為學(xué)生參與創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)搭建平臺(tái)，同時(shí)也讓學(xué)生意識(shí)到周圍的物品也作為實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)室就在身邊。

三、結(jié)論與反思

STEM教育關(guān)注學(xué)生的綜合能力發(fā)展，注重不同學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通，著重培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的人才。STEM課程不只是針對某節(jié)課，而是針對系列課程或者活動(dòng)，學(xué)科融合教育的理念應(yīng)該貫穿整個(gè)系列課程。教師設(shè)計(jì)并實(shí)施難度遞增的系列課程，有利于讓學(xué)生在探究過程中獲得成就感。

STEM教育對教師的綜合能力提出了較高的要求。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)局限于某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，要有全局觀，潛移默化地提高學(xué)生的綜合能力。

注：本文系廣東省廣州市增城區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理課堂教學(xué)情境生活化研究”（編號(hào)：ZC2020013）、廣州教育學(xué)會(huì)的立項(xiàng)課題“中學(xué)物理學(xué)科課程資源開發(fā)與利用研究”（編號(hào)：KTLX1202030673）的研究成果。

責(zé)任編輯：祝元志