STEAM理念融入高中物理课堂教学的实践与探索

    邹萍 段怀玺 张轶炳

    

    

    

    摘? 要：近年来，steam教育受到我国教育专家和一线教师的广泛关注。STEAM教学方法主要有基于问题和基于项目的两种教学方法。文章以高中物理电动机模型为例，采取问题引导和项目设计制作相结合的教学方法，让学生设计开发工程项目，以案例方式呈现STEAM理念在物理教育中的应用，并探索STEAM教育培养方式。

    关键词：STEAM;教学实践;电动机模型

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章編号：1003-6148（2021）2-0010-5

    1? ? 引? 言

    STEM即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的简称。STEAM教育不是简单地将S、T、E、A、M五类知识拼接于课堂教学中，而是旨在打破学科领域的界限，倡导基于问题和基于项目的学习方式，强调实践和体验，重视问题解决能力发展，在解决问题中融合各学科知识，培养全面发展的人的思维能力[1]，是一种新的教育理念和学习方式[1，2]。

    近年来，我国STEAM教育理念研究如火如荼，在我国现有分科教学的教育现状下，如何在学科课程中渗透STEAM教育理念是很多物理教育者探索的问题。

    2? ? 物理STEAM教学方法

    2.1? ? 物理STEAM教育中各要素的涵义

    基于STEAM教育理念的物理教学，笔者对STEAM各个要素进行了如下解读：S（科学）是物理学的理论，包括物理概念、原理、定律、定理及物理学的方法（如模型、推理、观察、实验等）;E（工程）在这里主要体现工程设计的思想，在具体物理学习中可以是实验方案设计、开发实体模型前的图纸设计及对原有产品或方案的改进设想等，其目的是能将物理学的理论应用到具体的问题解决的过程，设计出基于物理原理方法的解决问题的方案、设计图等，设计过程中既要符合科学原理，还要体现考虑开发成本、安全、美观等工程设计思想;T（技术）和工程在真实项目中是分不开的，为了将这一要素渗透在物理教育中，这里的技术主要体现技术操作和技术手段，如实验设备的操作技术、实体模型制作技术、现代教育技术及数字化的数据处理技术等，事实上科学、工程、技术三者相互依存，科学发现促使新技术的出现，新技术是利用工程项目设计开发出来的;M（数学）在物理学中是无处不在的，STEAM物理教育中的数学主要强调物理的数学模型构建及应用，也包括实验数据的数学处理方法，运用数理逻辑方法和数学语言建构科学或工程模型;A（艺术）指人文艺术，追求美并融入物理教育中，物理STEAM的艺术包括物理语言艺术、物理结构之美及学生设计、开发产品过程渗透的美学成分，由此提高学生对美的理解能力，增加对美的体验能力。在物理教学中渗透STEAM教育理念的宗旨就是通过一节课或者一个项目明确渗透五要素，融合物理学、技术、工程、艺术、数学等学科知识及思想，潜移默化地培养学生的创新思维、工程思维和科学探究精神。

    2.2? ? 基于STEAM的物理教学方法

    中国目前的中学物理教育是不缺物理及数学成分的，但需将工程、技术及艺术要素融入其中，达到五要素深层融汇整合。课程设计需让学生体验工程设计、技术操作、美学思想，并自主设计制作产品，笔者选择“电动机模型”进行实践研究。

    本研究采取的是“问题引导”+“项目设计制

    作”的教学方法：首先，教师通过提出一些序列性问题引导学生学习与下面项目设计相关的理论，为自己设计开发项目做铺垫;其次，让学生小组合作，根据教师提供的材料制作一个作品;最后，让学生汇报本小组作品的物理原理、设计图、制作过程，并展示效果。

    具体的教学流程框架图如图1所示。

    3? ? 基于STEAM的教学案例设计——“电动机模型”

    学生通过对高中物理选修3-1第三章第四节安培力[4]的学习，对安培力的相关知识有了一定的了解，但传统物理课堂与实际生活的应用联系不够紧密。电动机作为安培力知识在实践生产中的重要应用，在新的教学模式下，将STEAM教育理念融入到物理教学中，将科学、技术、工程、艺术、数学等贯穿到课堂中，学生体验工程师开发设计工程项目的过程，在工程与技术中巩固科学知识与方法。

    针对本节教学拓展课的特点，基于STEAM

    教育理念，笔者列出“电动机模型”教学中有关STEAM教育理念的渗透，如图2。

    现笔者根据安培力应用与STEAM教育理念的融合，将教学实践从以下几个方面进行展开。

    4? ? 基于STEAM教育理念的物理教学研究

    4.1? ? 基于问题的学习

    4.1.1? ? 情境整合：基于真实技术产品，引入课题

    生活中无处不在的电动机，教师通过拆除家用电器的电动机部分，向学生展示真实技术产品——家用换气扇电动机（如图3）。

    此时，学生会心存疑惑，该电动机的内部构造及工作原理是如何的呢？

    接下来以两个“电动机模型”项目进行展开，深入拓展研究。

    4.1.2? ? 展示小电动机实物模型

    问题是STEAM教育的起源，不管是做科学还是做工程，都需要提出问题并定义问题。

    教师展示简易电动机模型（如图4），学生观察、思考。

    教师根据实物模型提出反映教学目标的问题（如图5）。

    4.1.3? ? 从实物模型到物理模型

    学生尝试将实物模型转换为物理模型，结合已学安培力相关的物理知识，给出问题的答案。

    学生通过教师演示，尝试将简易实物模型转化为物理示意图，根据学过的知识，画出物理模型;画出磁感线;判断电流方向;运用科学分析受力，判断运动。

    4.1.4? ? 从物理模型到数学模型

    （1）从物理模型中分析载流直导线各物理量之间的定量关系

    ①磁场方向与电流方向垂直时的定量关系

    基于前面所学知识——磁感应强度，当磁场方向与电流方向垂直时，画出物理量之间的关系简图，分析可得所受安培力为F=ILB。

    ②推导出磁场方向与电流方向夹角为θ时的定量关系

    學生通过科学方法——矢量分解法，将磁场方向进行分解，分析得出科学公式：F=ILBsinθ。

    （2）从物理模型中拓展分析载流曲导线各物理量之间的定量关系

    当一段弯曲的导线，通入电流，放入磁感应强度为B的匀强磁场中（如图6），此时安培力的大小为多少呢？

    学生类比迁移，将电流方向分解为垂直磁场方向和平行磁场方向进行分析，但在该部分，学生需要注意到磁场是矢量，可以分解，电流并不是矢量，需采取化曲为直等科学方法进行安培力大小的求解。

    4.2? ? 基于项目的学习——科学—技术—工程

    4.2.1? ? 从科学模型到制作项目

    不管是科学家还是工程师在做研究时，既单独工作又团结合作。考虑到教学实施过程中的多方面因素，课堂提供以下器材，电池、导线、柱形磁铁、漆包线若干、塑料杯等，每位学生化身小小工程师，小组合作尝试制作一个关于“电动机模型”的项目产品。

    学生进行分组并讨论设计，初步设计实验方案，思考制作电动机的方式方法。

    （1）实践项目用到的基本物理原理

    通电线圈在磁场中受到磁场力矩的作用后会发生转动。线圈在转动的一周内，只有半周线圈中有电流，此时在磁场力作用下线圈加速旋转，另半周线圈中无电流，线圈依靠惯性转动。

    （2）学生自制实验项目设计图

    ①学生根据物理原理画出设计图，并相互交流;

    ②修改设计图。

    （3）实践项目步骤

    ①制作线圈;

    ②组成闭合回路;

    ③磁场作用下，电动机模型工作。

    学生清楚电动机的相关知识与原理后，用漆包线缠绕成线圈，并和电池组成一个闭合回路，线圈中通有电流，此时线圈为通电线圈，再加上柱形磁铁产生的磁场作用，就可使线圈转动起来。

    （4）历经工程项目过程

    工程项目的制作过程见表1。

    4.2.2? ? 从制作项目到科学知识

    工程项目的制作过程整合了科学知识和方法，通过所学的物理知识——安培力，学生科学论述自制电动机实物的受力情况。

    线圈每转一周，只有半周获得动力，在另半周线圈将要受到阻碍它转动的力时没有电流通过，线圈不受力;线圈靠惯性转过这半周后，又回到原来的状态，又受到同方向的转动力，以保证线圈继续转动下去。

    科学的工程项目离不开精确的数学计算，数学是理解物理的关键工具。作为小小工程师，解决了线圈转动稳定性的技术问题，有学生开始思考整个圆周的受力，进行定量分析，真正从工程师的角度去细致考量问题。

    以其中一组的项目为例，进行深入分析。

    连接电路，上下半周的电流方向如图7所示，线圈磁场方向近似竖直向上，此时线圈的环形电流方向如图7，根据左手定则可知，上半周所受的安培力方向垂直纸面朝里，下半周的安培力方向垂直纸面朝外，线圈由此转动。如图8，对线圈进行受力分析，线圈电流在磁场中所受的安培力对转轴产生力矩，使线圈转动。

    将通电线圈切分成无数个微小的线段微元，每个线段微元的长度为dl，导线的横截面积为S，导线内的电荷密度为n，每个线段微元内包含的载流子数为dN=nSdl（1）

    每个载流子的受力为q■×■（2）

    微元受力为d■=（dN）q■×■=nSdlq■×■（3）

    因为电流I=nSqv，故d■=Id■×■（4）

    可得安培力大小为dF=IdlBsinθ（5）

    水平位置时，由于一端的绝缘漆没有完全刮掉，导致此时线圈断路，线圈不受力，依靠惯性继续转动。转到竖直状态，再次通电、受力、转动。

    由以上分析得出安培力的公式为

    F=ILBsinθ（6）

    4.2.3? ? 学生交流汇报，分享成果

    学生制作完成简易电动机模型后，汇报本小组的实验原理，分享自己的“工程师”历程，探讨设计过程的收获与经验。在现实生活中，电动机的制作在学生的模型设计上进一步优化，通过设法改变后半周的电流方向，使线圈在后半周也能获得动力，线圈将更平稳、有力地运转，实际电动机就通过换向器实现这一目的。

    学生通过本节课工程项目的设计与探究，对电动机的工作原理有更为深刻的认识，将换气扇电动机拆除，检查内部构造，各小组交流讨论，尝试解释家用换气扇电动机的工作原理。学生在课堂最后将科学知识与实际生活紧密相连，尝试用物理知识解释生活问题，课堂教学得到有效延伸。

    4.2.4? ?研究结论

    STEAM教育理念已成为一种课程设置的趋势，本文将该理念应用到探究安培力应用的教学实践中，打破传统教学中以教师讲解为主的应试教育，让学生自主动手设计制作简易电动机等模型，在理解安培力等相关知识的同时，激发学生学习物理的兴趣，并熟练应用所学知识。学生制作出来的模型尽管比较简单，但对于他们来说真正做成功需要花费时间和精力，在工程项目的实践中可将学过的科学知识内化，不断思考和应用，在很大程度进行跨学科整合，培养学生的综合能力。

    5? ? 结? 语

    随着近年来教育研究的深入和发展，STEAM教育成为国内外教育改革的重要趋势。传统教学模式也逐渐注重学生小组讨论与合作，虽形式各异，但学生对知识的理解仅停留在表面，并没有进行深入地探究。STEAM教育旨在解决实际问题，学生像工程师一样实践操作，开发产品，再不断利用技术和数学改进方案，内化科学，体现艺术感，最终完成工程项目。STEAM教育理念突破传统的教学途径和模式，有助于中学物理教学模式的深入改革。望本文能为一线教师提供一些教学参考。

    参考文献：

    [1]National? Science? Board.Undergraduate? Science Mathematics? and? Engineering? Education[EB/OL].（1996-03-21）[2017-09-12].

    [2]Yakman G. STΣ@M education： An Overview of Creating a Model of Integrative Education[EB/OL].（2010-08-07）[2017-09-13].

    [3]杨开城，窦玲玉，李波，等.STEM教育的困境及出路[J].现代远程教育研究，2020，32（02）：20-28.

    [4]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：91-93.

    （栏目编辑? ? 赵保钢）