将STEM教育融入高中物理教学的案例实践

■天津市第二十中学 侯 霞

一、背景分析

有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯，具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养，这是2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》之中明确指出的。

STEM教育就是融合科学、技术、工程、数学的教育，其表达的重点是加强对学习个体四个方面素养的整合。

评价是任何教育形式的根本环节，正如STEM的综合性评价方法与传统每个学科的单独性评价方法也有很大差异。我们现在多采用的学科的单独性评价，一般是通过学科考核来完成的，是知识获得的评价。而STEM的综合性评价更为注重过程和特征的评价，着重了解学生什么情况下能学到什么，怎样学到，有什么提高，这些都需要教师悉心指导，及时记录学生在学习过程中一点一滴的进步。

二、案例展示

教学《电能的输送》，首先组织学生到天津滨海新区的北疆发电厂和大神堂风电场进行参观，在真实的电力工程情境中展开对输电工程了解，在火力和风力工业流程中探索，使学生保持旺盛的求知欲。

（一）课程目标体现出课程如何集成相关科学、技术、工程和数学之间的具体内容

1.科学：利用物理电路中的功率损失知识引导学生自己从已有的直流电路知识出发，进行分析知道“便于远距离输送”是电能的优点，讨论并了解工程输电过程中如何有效便捷地减少热量损失，熟悉远距离输电的基本原理。

2.技术：探索变压器的主要构造和作用，了解如何实现变压器的升压和降压作用以及如何实现电厂的高压送电和用户的正常用电，从可操作性、成本、效果几方面分析各种减小输电损耗的可行性。

3.工程：绘画、设计、研究输电线路功率损耗的电路图；根据图纸模拟输电线路，在实验室探究如何测量和获得输电线上损耗功率大小。分组讨论如何降低输电线路损耗，提高发现问题、合作分析现象、解决问题的能力。到电厂实地参观电网输电的过程，对比自身设计实验，了解远距离输电用高压送电可以有效减小输电损耗。

4.数学：通过模拟输电实验探究和原理分析，对输电电压、电流、损耗功率等进行具体计算。通过理论分析、计算学会分析解决输电实际问题基本方法。能够正确分析相关问题及电网输电过程。

（二）实施过程

1.结合参观提出工程问题。

（1）带领全体学生参观大神堂风电场和北疆电厂（火力发电），思考电站发出的能源怎样才能被利用，在实际工程中电能的输送又有哪些基本要求。

（2）学生分组讨论。结合参观工程的记录得出远距离输送电能的基本要求是可靠、保质、经济：可靠，是指尽量保证供电线路减少、避免故障和停电；保质，就是能够保持用户使用的电压和频率稳定；经济，指输电线路尽量选用热功率损耗小、整体运行费用较低的方案。

2.整合物理科学和生活实际猜想，引出工程任务。

（1）利用物理知识，学生从理论上讨论远距离输电面临的电能损失可以采取什么途径降低。

（2）结合工程实际可操作性和性价比讨论减小输电线的电阻。理论上根据电阻定律可知R线＝ρ，要减小输电线的电阻R，可采用下述方法：

线

①可以选用电阻率ρ更小的输电线材料。但考虑到有的金属电阻率虽然小，但造价比较高，所以选用铜或铝作输电导线。

②可以减小输电线的长度L。但可行性受到限制，因为现实输电距离有条件。

③可以增加输电线的横截面积，但太粗不可能，既不经济，架设又困难。

（3）经讨论，以上提出的改进方法都因为实际操作或经济上的困难不可行，提出能否在保证用户电功率不变的前提下通过减小输电电流I降低输电损耗。

①猜想发电后升高电压再输送，是为了达到输送电能的哪个基本要求？

②如何实现提高送电电压，同时保证用户电压不受影响?

3.整合技术，利用实验器材设计工程模型，展示成品效果。

（1）尝试利用电源、灯泡、导线、负载设计对比实验，对比同一电源供给同一负载，使用高压送电与直接送电导线能量损失的情况。

（2）学生分组讨论设计两组工程模型，需要在对比中反映出利用变压器提高送电电压后再通过输电线路供给负载和电源直接供给负载。（提示：定值电阻代替负载）

（3）在模型中如何直观快捷地测试到输电线路损耗？如果用一个小灯泡来表示导线电阻，应将灯泡与导线采取何种连接方式？如何通过小灯泡来测试导线上有无能量损耗以及损耗能量大小？

（4）每个小组请按照自己设计的图纸去连接输电电路并展示工程模型，注意观察两组模型中小灯泡的亮度区别。

（5）同一电源供给同一负载，使用高压送电比直接送电导线上小灯泡的亮度低。学生根据工程模型得出高压送电能有效减小输电线上的能量损耗，从而提出解决实际工程问题的方法。

（6）根据研究整合技术，提交工程方案，绘出高压送电示意图。

4.整合数学，解决简单工程实际问题。

（1）根据各组画出高压输电的原理图，分析各部分物理量的数学关系。

（2）小组讨论总结，在送电功率和导线电阻一定时，导线中损失的热功率与送电电压的平方成反比。

（3）开放探究，解决工程问题。某台发电机输出功率30千瓦，输出电压300伏特，用原线圈、副线圈匝数之比为1∶4的变压器进行升压后，通过总阻值为3欧姆的输电线路向远距离输送电能，送达用户后需用降压变压器降为220伏特，求：①输电线路上损失的热电功率是多少？②降压变压器的变压比值是多少？

5.教师根据解决问题过程和最终模型的呈现进行等级评价。

（三）教育反思

1.做更完善的整合工作，教师是STEM教育的核心。STEM教育需要的是团队合作学习的进程，而且对教师的要求逐步提高。教师需要胜任各学科之间的整合以及科学与技术工程之间的整合，并且合理引导学生从表面现象认识到内在原理。

2.做更完善的评价系统，评价是STEM教育的根本。目前我们教学多用单学科的获得性知识评价，还可以考虑引入工程过程的量规表，帮助教师评价学生在工程设计和实施过程的发展和进步。

三、心得与展望

工程问题是课程的主要内容。《电能的输送》案例呈现了STEM教育的典型特征。首先，从目标的设定来看，它是围绕科学、技术、工程、数学来制定预设目标，整个项目的推进都旨在实现这些目标。其次，从实施流程上，它围绕减小输电线路能量损耗的任务，开展项目式学习。它关注四大领域的全面渗透发展，而并不只重点关注STEM科学教育领域。

未来的学习很多可能都是不变的，但又处处充满了变化的挑战。学科没变，但学科整合了；知识没变，但把这个核心的知识整合在一起了。那么未来的教育需要的也是更为深度的学习，知识能力归纳到最核心的能力是问题解决能力、元认知意识、批判思考能力、合作能力、沟通能力和创造力，这些是21世纪社会需要的核心能力。STEM教育为传统的学科教育注入了新的元素，提供了更好的途径，让学生和教师在教育中学会做学习共同体，为所有个体的终身学习服务。