基于STEM教育理念的高中物理教学实践研究——以“传感器的应用实验”为例

尹庆丰

(1. 常州市武进区教师发展中心,江苏 常州 213164; 2. 常州市武进区礼嘉中学,江苏 常州 213176)

“有一只熊掉到一个陷阱里,陷阱深19.617m,下落时间正好2s,求熊是什么颜色的．你能算出来吗?”是否觉得无从下手呢?

其实,根据已知条件,可以计算出当地的重力加速度g=9.808 m/s2,经过判断,最接近这个值的地点在南北极,而南极没有熊,北极熊是白色的,因此答案是白色．这道题目融合了物理、地理等学科,是一个典型的STEM问题．

1 STEM教育的内涵及现状

科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics),简称STEM教育, 20世纪80年代兴起于美国,至今已在美国中小学阶段广泛实施．[1]虽然人们对STEM教育的内涵尚未达成共识,但“学科整合”已成为其标志性特点之一．STEM教育的特色是重视学科知识之间的内在联系,其目的是帮助学生掌握如何运用科学和数学知识来解决与技术、工程相关的现实问题,[2]正如开头那个问题．

STEM教育是世界性的趋势,我国对STEM教育的关注起步较晚,[3]且一直以来,我国都是采用的分科教学,一下子实现学科整合,存在“拔苗助长”的嫌疑．针对我国教育现状,STEM教育的引入应该循序渐进．以高中物理为例,可以原有学科知识为核心,在合适的知识点或渗透技术应用、或注重数学工具、或结合前沿动态等,引导学生将物理与科学、技术、工程及数学逐步整合．整合应该是广义的整合,而不是狭义的整合,宗旨就是培养学生的问题解决能力、自主创新能力、深度学习能力和适应未来的能力．[4,5]

2 STEM教育的教学方法探讨

STEM教育常常采用问题解决驱动的、行动导向的教学方法,其中基于项目学习和基于问题学习是目前美国中小学STEM教育中最常用的两种教学方法．[6]

两种教学方法都起始于一个开放的问题或项目,学生通过分工合作、资料收集和数据分析来解决问题．基于项目的学习通常让学生运用数学或科学原理和方法,设计一个方案或制作某个产品作为学习成果,[7]往往需要数周时间,并且和生活需求相关．基于问题的学习则更多的是对某虚拟情节或案例的研究,以解决方案或观点为教学成果,而非实际产品．[8]这种教学方法的周期比较短．

针对国内教学的实际情况,笔者认为可以将上述两种教学方法有机结合．在课堂教学的时候,由于教学时数的限制,以基于问题的学习为主,学生提出解决方案即可;在课后,对于有兴趣继续研究的学生,可辅以基于项目学习的教学方法,制作出实际的产品,达到培养创新技能的目标．

结合STEM教育要求和教育目标,笔者认为与之相符的教学设计应具有综合性、开放性、动态性、回归性、实践性和多样性的特点,[9]归纳后将课堂教学分为6个模块,具体流程如图1．

教学流程中,笔者加入了教学反思这一环节.如果6个模块执行下来能够实现教学目标,说明这节课是成功的.课堂教学还可以进一步延伸:有兴趣的学生,可以尝试将设计方案做成实物．反之,如果没有实现教学目标,那么就要从源头(提问)找问题,教学过程中,只有不断地反思,不断地完善教学设计,才能得到最佳的教学效果．

图1 STEM教育课堂教学流程图

3 高中物理教学中融入STEM教育理念的实践探索

人教版选修3-2中“传感器的应用实验”这节课,[10]技术内容十分丰富全面,突出体现了科学、技术与社会的密切关系;突出理论联系实际的思想,能够培养学生分析具体事物的能力;重视联系学生生活、社会实践和现代科技．

然而,现有教材中,传感器一章提及的实例,如“勇气号”火星探测器,一来缺乏新颖性,二来缺乏实用性,已经不太适合科技迅猛发展的当下．而且,教材中只是按部就班地提供了两个实验,让学生依葫芦画瓢,根本无法实现上述教学目标．因此,笔者结合STEM教育理念,对这节课重新进行了教学设计,获得了意想不到的教学成果．

3.1 情境整合

笔者以高中物理的内容为核心目标,利用现实的工程问题情境来推动核心内容的学习．

情境设置:2016年7月21日下午4点半许,沪昆高速公路565km处(江西弋阳段、上饶往南昌方向)发生一起江苏牌照货车侧翻事故．经询问驾驶员得知,该货车是由于高温天气轮胎爆胎导致发生侧翻事故,如图2所示．

此时,学生会心存疑虑,这是真的吗?直接让学生自己答疑,通过互联网查询有关汽车夏季爆胎事故的新闻报道,居然发现,每年发生在高速公路上的交通事故,46%是由轮胎故障引起,其中又以轮胎温度过高为最．

图2 问题情境

图文并茂更能激发学生的代入感,学生自然而然会提出一个设想:如果能及时知道汽车轮胎表面温度过高,是不是就可以做好预防工作,避免交通事故的发生?

3.2 基于问题的学习

考虑到时间限制,本节课采用基于问题学习的教学方法,所有的学习活动都是围绕问题展开的．问题是STEM教育的核心,也是驱动进一步研究的起点．所以,教师需要根据教学目标和内容,精心准备,更要根据学情分析,提出难度适中、逻辑合理的问题．

针对学生提出的设想,结合本节课的中心内容“传感器的应用”,笔者设置的问题是: (1) 生活中,你能接触到哪些传感器?(2) 这些传感器有什么样的作用?(3) 打开你们的实验箱,看看这些电子元器件都认识吗?它们有什么样的作用?(4) 是否可以利用这些电子元器件,根据你们刚才的设想,设计一个装置,当汽车轮胎表面温度过高时报警,提醒司机呢?

3.3 分组研究问题,收集技术、数据

在富有开放性的问题情境中,进行实验探究,这是STEM教学的关键步骤．在这个环节中,教师起到一个组织者的作用,指导、规范学生的探索过程．课堂上,允许学生自由组合,分成八个探究小组,这个过程注重培养学生寻求合作的团队精神．每个小组通过教材、教辅、计算机和互联网等方式收集资料,分工合作,既提高了课堂效率,又能够“百花齐放”,碰撞出思维的火花．

针对上面的4个问题,学生们会有很多联想丰富的答案,每个答案都是一个“闪光点”,教师应给予及时的鼓励,激发学生的表现欲,促进创新思维的发展,挖掘学生探究的潜能．

3.4 引导学生物理知识的构建

经过前面的铺垫,学生对传感器有了基本的认识．此时,笔者将传感器的概念、分类、原理、应用等知识点梳理清楚,给学生构建一个以传感器为中心的知识体系．

接着,提醒学生将目光再次放回到实验箱,而前期的问答过程已经为学生做好了知识准备,此时学生可以很迅速地将需要用到的电子元器件找出来,并且设计合理的电路．

经过反复论证,我们挑选了一种最简单可行的方案:热敏电阻、斯密特触发器、蜂鸣器、滑线变阻器、集成电路板、电池盒,设计了一种“温度报警器”,可以实现温度报警的功能．图3就是学生的研究成果.

(a) 电路图 (b) 实验装置图

传统的教学到实验装置连接完成就结束了,然而这样的实验装置并没有解决实际的工程问题,即实现汽车轮胎表面温度预警．可以说,到这一步还不能最大程度激发学生学习的兴趣,还没有实现STEM教育的目标．

3.5 学生分析元器件,设计解决问题的方案

核心知识掌握了,电路也接好了,接下来就应该引导学生往教师所设定的研究方向前行了．STEM教育中,必须正确处理教师的“引”和学生的“探”的关系,既不能放任自流,让学生漫无边际去探究,也不能过多地牵引,反客为主．所以,在这个环节,笔者追加了3个问题.

(1) 汽车轮胎表面的警戒温度是多少?

(2)RT的变化是如何引起蜂鸣器发声的?

(3) 如何设置警戒温度?

对于第一个问题,查询资料可知,因为汽车轮胎的品牌不同,工作温度各不相同,经过讨论,大家比较认可的是:汽车轮胎工作时的温度一般是40-80℃之间,长途高速行驶可能会升高到120℃左右,这时就会很危险,因此学生们将汽车轮胎表面警戒温度设定为90℃．

后两个问题是本节课的核心问题,每组都设计了自己的方案,因此交流分享的教学方法更为合适．

3.6 合作交流,分享成果

合作,也是STEM教育中的重点,合作可以让单一性思考和求异性思维相结合,碰撞出思维的火花．同组的学生围绕着关键问题展开了进一步讨论,并根据每个人的特长进行了分工:资料收集,选择电子元器件,设计,画图,连线,验证,交流,一环扣一环．合作交流这个过程本身,就是提升学生能力的好机会．

对于“RT的变化是如何引起蜂鸣器发声”这个问题,虽然大家的方案各不相同,但最后的结论都很一致:因为热敏电阻RT的阻值是随着温度的升高而降低的,那么电路中A点的电势(图3a)就会随之升高,当UA上升到1.6 V时,UY就突然下降到0.2 V,于是蜂鸣器两端的电压为4.8 V,大于蜂鸣器的触发电压4 V,则蜂鸣器发声．上述数值是其中一个小组用电压表验证的,得到大家的认可．从这个验证过程中,学生更直观地认识了斯密特触发器的工作原理,笔者进行了及时的表扬．

而“如何设置警戒温度”这个问题,大家也很明确:当R1调到某个合适的值,RT上的温度小于90℃时,蜂鸣器不发声;反之,蜂鸣器会发出刺耳的蜂鸣声,提醒司机注意给汽车减速降温．而控制温度的方法一下子成了热点,学生们一个又一个“稀奇古怪”的想法就都冒出来了:用烧杯装热水、用电吹风机、用蒸汽熨斗,等等．原来没有什么想法的学生,在听了代表交流发言后,也被激发了灵感,争先恐后的发言．到此时,学生的学习兴趣被完全调动起来了,热情空前高涨,甚至课后还听到学生的争论．至于究竟什么方法最合适,笔者留给学生一句话——“实践出真知”!

3.7 教学反思

如果说,前面3个步骤是“放”,让学生有足够的发散思维,激发他们的创造能力,那么,后面3个步骤就是“收”,引导学生往解决问题的思路上走,设计出实际方案,实现“学以致用”,提升学生的成就感．此教学设计体现了STEM教育的基本要求．

课堂最后获得的解决方案虽然不唯一,但是将物理与生活,问题与工程有机地联系了起来．学生在整节课中,涉及到了信息查询、性能了解、电路作图、实验制作、参数确定等技能,很好地感受到科学、技术、工程和数学4大领域的紧密关系,也提高了他们全面掌握知识和灵活运用的能力．到这里,可以说,这节课已经实现了预设教学目标．

更让人惊喜的是,几周后,一些感兴趣的学生将设计方案进行了应用改进,制作成了一个实物作品,虽然简陋,但是具备基本

的预警功能．课堂教学得到了延伸,基于问题的学习被拓展为了基于项目的学习,学生有了学习的主动性与自发性．

4 结束语

STEM教育理念的引入,为高中物理课堂注入了一股新的活力．通过“传感器的应用实验”这个教学实例,笔者发现,与传统教学相比,STEM教育基于真实问题的研究过程,更能够激发学生的学习兴趣,对培养他们融合“格物致用”与“格物致知”的能力起到潜移默化的作用．