基于STEM教育理念的竖直平面圆周运动脱轨问题研究

戴浩　周智良

摘 要：基于物理核心素养的STEM 课程整合与创新案例对于培养学生的创新思维有着巨大的促进作用。文章以竖直平面内的圆周运动脱轨问题作为研究性学习的素材，利用Autodesk 123D Design 3D打印技术开展STEM 教育与物理教学相整合的实践和探索，探讨在高中物理课程中如何融入STEM教育理念，培养学生基于现象的分析能力和动手实践能力。

关键词：STEM教育；脱轨问题；Autodesk 123D Design3D打印技术

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）8-0063-2

1 问题的提出

STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的简称。STEM 教育并不是指把四门学科进行简单的“拼盘”，其核心内涵是要把这四个方面的内容整合成一个有机体，以基于项目的学科交融方式更好地培养学生的创新精神与实践能力。我国的基础科学教育有着良好的科学-数学整合传统，但是在科学-技术整合和科学-工程整合上还存在着很大的不足，甚至是缺失。就物理学科而言，其本身就与技术和工程有着潜在的联系。因此，我们可以在物理教学中融入STEM教育理念，以涉及STEM的生活和工作的项目或专题推动物理课程的STEM教育转型。下面举例说明。

物体在竖直平面内光滑圆轨道上运动时，什么情況下能够保持沿着圆轨道运动而不脱离轨道？什么情况下又会脱离圆轨道？如果脱离，在什么位置脱离？

2 创设情境，引导学生利用物理规律分析脱轨条件

如图1所示，一个竖直平面内半径为R的光滑圆环轨道和光滑斜面轨道平滑连接。一个质量为m的小球从斜面上高为h处滚下。若h=2R，小球在轨道上运动能通过圆环的最高点吗？

将设计好的3D模型保存后导入Flashprint，连接3D打印机即可制作出这种轨道模型。

虽然3D打印所使用的材料ABS （ 树脂，Acrylonitrile Butadiene Styrene）具有良好的刚硬、光滑的特性，但是考虑到轨道本身的光滑程度对脱轨位置的验证非常重要，所以刚打印出来的模型需要经过抛光处理。

3D打印完成后常见的抛光的方法很多，如砂纸打磨、溶剂蒸汽熏蒸（例如用丙酮抛光的办法）。

由于ABS材料本身呈象牙色，而且具有很好的染色性，我们可以通过在小球表面涂上相应的颜料，然后由静止释放小球，观察小球脱离轨道的具体位置。颜料痕迹消失的位置即为小球与轨道的脱离点。实验完毕可以用洗洁精或清洗剂蘸水直接洗掉。

接下来学生就可以验证脱轨位置与理论计算结果是否在误差允许的范围内一致了。

4 脱轨问题中涉及到的STEM

（1）脱轨研究项目中涉及到的S（科学）

本项目中涉及到的S（科学）概念与规律有：圆周运动、向心力及向心加速度、重力做功与重力势能、动能及动能定理、能量守恒定律。

（2）脱轨研究项目中涉及到的T（技术）

信息技术的运用、Autodesk 123D Design的熟练操作、机械设计的基本原理。

（3）脱轨研究项目中涉及到的E（工程）

加工材料的选择与使用、轨道的抛光处理、轨道的设计、清洗、建模与制作、结果的评价与优化。

（4）脱轨研究项目中涉及到的M（数学）

高度与半径的测量、三角函数、建立方程及解方程、坐标系的建立（分析脱轨之后的斜抛运动）。

5 结 语

物理学科对实施STEM教育具有天然的学科优势[3]。教师要多创造条件使得学生能够积极主动地参与到学习中，通过科学探究、数学计算、技术和工程的系统性应用，来实现一个具体的研究性学习方案的设计和装置的制作，促进学生知识和技能的迁移，加深他们对技术、工程与科学、数学联系的理解。

参考文献：

[1]殷召连.物体在竖直圆轨道上运动问题的数理解析[J].物理教学探讨，2012，30（3）：35-38.

[2]姜庆荣.巧妙突破竖直平面内小球“恰好”做圆周运动的难点[J].物理教学探讨，2014，32（6）：49-50.

[3]谢丽，李春密. 物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（10）：2-4.

（栏目编辑 罗琬华）