践行STEM教育理念提升物理核心素养

居殿兵　汤杰

摘要：在STEM教育理念指导下，改造家用垃圾桶，解决两个方面的问题：一是廚房垃圾桶换垃圾袋麻烦，泔水残留在垃圾桶内，易滋生细菌；二是卫生间垃圾桶因要带盖密封异味，人坐在坐便器上不方便边打开盖子边丢卫生纸.借鉴家用不粘锅、电饭煲收纳蒸汽水、银行门自动开闭、自动圆珠笔等工作原理来一步步改进家用垃圾桶，解决实际存在的问题，在探究、学习、讨论、思考、制作中提升学生的物理核心素养.

关键词：STEM教育；物理核心素养；垃圾桶改造

基金项目：江苏省十三五规划课题“基于提高学生物理核心素养的体验式学习法的实践研究”（项目编号D/2016/02/349）；江苏省教研课题第十一期课题“依托物理课程基地发展学生核心素养的实践研究”（项目编号：2015JK11-L175）.

作者简介：居殿兵（1969-），男，江苏高邮人，本科，学士，中学高级教师，研究方向：尖子生培养，奥赛指导；

汤杰（1991-）男，江苏淮安人，本科，学士，中学二级教师，研究方向：物理学科教学.

1何为STEM教育

STEM是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写.STEM教育是科学严谨的跨学科教育理念，起源于美国.1986年，美国国家科学委员会（National Science Board，NSB）发表《尼尔报告》，该报告是美国STEM教育集成战略的里程碑.报告中提出“科学、数学、工程和技术集成（SMET集成）”的纲领性建议，被世界教育界视为提倡STEM教育的开端.

当今教育的社会价值在于培养孩子如何适应现代社会和应对未来生活变化的技能，教育目的、方式已然发生了根本的改变.将STEM教育融合于日常物理教学，有利于提升学生“学、用、做”综合能力，提升学生物理核心素养，践行新课标的基本理念，为学生终生发展奠定基础.

2垃圾桶改造问题的提出

在我们家庭中，垃圾桶是一件必不可少的东西，一个家庭少到1、2个，多的甚至8、9个，从厨房到客厅、卧室到卫生间，到处都有它的身影.在家里有两个地方的垃圾桶更引起我们的重视，一个是厨房，一个是卫生间.厨房的垃圾桶因为更换垃圾袋频次高，麻烦，若泔水残留在垃圾桶内难清理，易滋生细菌.而卫生间的垃圾桶一般都带盖，人坐在坐便器上不方便边打开盖子边丢卫生纸，而如果不带盖又会有异味.改进这两个地方的垃圾桶就必须解决以下问题：一是厨房的垃圾桶如何使更换垃圾袋变得方便？如何让泔水不残留在垃圾桶内部，即使稍有残留，也易清理？二是

卫生间的垃圾桶如何让桶盖根据需要及时、方便打开与关闭.

3前期准备

31厨房的垃圾桶

311学生观察

让学生观察常见的垃圾桶款式，并能够说出各款式垃圾桶所具有的功能或者优点.分析这些垃圾桶的经济性和实用性.

312各抒己见

提出一个问题让学生讨论——如何使垃圾袋更换更方便.从垃圾袋距离垃圾桶的远近，操作是否复杂等角度来思考，给学生提供思考的方向.然后学生分组，以小组为单位，得出本组的讨论结果.

313分析比较

比较各小组的结果，从可操作性来考虑，我们可以把垃圾袋就放在垃圾桶底部夹层内，这样就节约了到处找垃圾袋的时间.同时从面巾纸的抽取设计中得到启发，通过拿走第一个垃圾袋来把下一个垃圾袋给带上来，从而使垃圾袋更换变得更加方便容易.

314前沿材料介绍

本项目的另一个问题是如何让垃圾桶不易残留泔水，且便于清理.这样，一些前沿材料可能会用到.可从淘宝上购买到该类材料（纳米液体），价格也很便宜，20元左右就可以买到一瓶.同时给学生介绍一些现实生活中运用到疏油材料的例子，比如现在家里用的不粘锅，如图1所示，炒完菜，油质没有残留在锅内，原因是锅里涂了一层自清洁纳米材料.另外，手机屏幕上也涂有疏油层，避免留下手指痕迹.同时，提供给学生关于自清洁纳米材料的网络链接，供学生自主上网查阅、学习.

315难点攻克

在此基础上，学生不难联想到，可以在垃圾桶内壁也涂上一层这样的纳米材料，这样就可以解决问题了.另外还要考虑，万一厨房垃圾中有一些尖、硬的物体时，很有可能把垃圾袋给扎破，泔水会破袋而出，虽然不粘在桶壁上，但还是会残留在垃圾桶底，甚至会流到下面没使用的垃圾袋上面去.怎么解决这个问题呢？学生想到能不能把泔水导出去.又出现了新的问题，导出的泔水会污染地面，怎么办？学生会想到用东西接住.这时引导学生联想家里的电饭煲，当盛饭的时候，锅盖上的蒸汽水会流到一个收纳容器中，如图2所示，故垃圾桶也可以增加这样一个装置.

32卫生间的垃圾桶

321确定改进方向

请学生阐述卫生间的垃圾桶一般需要具备哪些功能？并且说出现实生活中卫生间的垃圾桶还有哪些不方便的地方，这将是我们的改造方向.最后确定改进方向：一是卫生间的垃圾桶细菌多，有异味，需要加盖，且气密性要好；二是打开桶盖和丢卫生纸一只手完成不了，对于一些下肢残疾人士而言脚踩式垃圾桶更不合适.

322思考改进方法

根据上述存在的问题，对垃圾桶进行改进，如何才能做到既可以用手又可以用脚将垃圾桶盖打开？学生们会想到生活中常用的传感器，比如，人走进银行门时，门自动打开，手靠近公共洗手间水龙头时水自动流出.设计成手靠近传感器桶盖就打开，远离到一定距离桶盖就关闭.分小组思考设计方案.

323评价设计方案

学生们普遍会想到运用传感器来设计这个方案，请学生分享他们的设计方案，比较各小组的方案.让学生从实用、方便、经济、可操作方面对各自的设计方案进行评价.

324脚踩式垃圾桶模型探究

既然电子的行不通，就采用机械的，市面上就有脚踩式垃圾桶，脚踩式垃圾桶有它独到的优点，通过脚踩来控制桶盖的打开.让学生分析脚踩式垃圾桶的工作原理，如图3所示，建议学生在此基础上进行改进.

325聚焦关键点

选择最原始的机械装置，如何做到用手就可控制桶盖的打开和关闭呢？要是有一个按钮，一按桶盖打开，再一按桶盖关闭就好了.这个按钮的位置应该放在哪儿呢？学生不难想到，按钮应该放到图3上A处，再用连杆压下方的踏杆，从而控制桶盖的打开.手一松，桶盖又会落下来，一只手依旧没法完成开盖和丢卫生纸的操作.有没有一种方法可以控制桶盖的关闭？想让它什么时候关就什么时候关？问题就聚焦到这上面，如何解决？

326研究自动圆珠笔工作原理，获得设计灵感

让学生研究自动圆珠笔的工作原理，如图4所示，通过按钮上下按动，可以控制笔芯向下的高度.对比此处的垃圾桶，在按钮A处下方也装上自动圆珠笔这样的装置，按下按钮，连杆向下的长度变长，从而控制桶盖的打开.当我们再按下按钮，连杆向下的长度变短，桶盖关闭.到此为止，控制桶盖打开和关闭的问题就得到了解决.但是我们依旧要保留原来的脚踏结构，因为有时候会遇到需要脚踩的情况，例如上肢残疾人士就非常需要.

4设计与制作

41设计方案

411厨房垃圾桶设计方案如图5所示.

412卫生间垃圾桶设计方案（图6）.

42制作作品

根据设计图进行制作，受材料和工具的限制，我们通过模拟制作，用三合板、硬纸板代替塑料.在制作的过程中主要问题是尺寸的测量，一旦尺寸不符，在安装过程中是很难完全吻合的.在学生安装测试过程中，可能有以下两个方面需要改进：一是厨房垃圾桶，在提垃圾桶袋的时候可能把整个垃圾桶一起提起来；二是卫生间垃圾桶，在脚踩踏板的时候，垃圾桶可能会不稳.

43作品优化

对于厨房垃圾桶，可以在隔层中增加配重物，这样就不会在提垃圾袋的同时将垃圾桶也一起提起来.

对于卫生间垃圾桶，可以将底盘做的稍大一点，以增强垃圾桶的稳定性.

5作品评价与展示

5.1作品评价

主要从实用、美观、可操作性角度去评价.分四个等级，分别是优秀、良好、及格、不及格.

优秀：造型美观，有新意，能够很流畅的发挥既定的功能，组装时部件的契合度高，协调性强.

良好：基本功能能够发挥，外形漂亮，但部件间组装时有较大缝隙，整体契合度不强.

及格：基本功能可以发挥，但外形一般，部件间衔接粗糙，有较大缝隙，契合度差.

不及格：基本功能无法发挥.

5.2作品展示

在班级内部评选，选出2-3件优秀作品参加校级科技创新作品展.学生可在学校范围内进行宣讲，介绍自己的作品，全体学生不记名投票，选出最佳作品，颁发证书，并在学校宣传栏和网站上公布.

6拓展与应用

本设计方案是针对家庭里的垃圾桶，是否可以把该设计的应用范围扩大到其他环境和领域？哪些地方需要收纳但是单手不便完成？比如商场的垃圾桶，快餐运送包装箱，残疾人便利项目等，而且我们不需要拘泥于一定是垃圾桶、收纳盒，甚至在我们上面设计中用到的一些材料、方法都可以进行拓展.比如，自清洁纳米材料，我们还可以用在生活中的哪些地方？餐桌可以吗？墙壁可以吗？再比如，按钮式可控长度开关我们还可以用在哪些地方？可控升降座椅可以用到吗？引导学生将设计的成果扩大化，应用到更加广阔的领域中，方便我们的日常生活，在解决实际问题过程中，提升學生的综合应用能力，也即提升学生的物理核心素养.

参考文献：

[1]韩叙虹.基于物理核心素养的STEM教学的实践与探索[J].中学物理，2018（3）：2-6.

[2]黄皓，王月.基于STEM教育的物理实验设计[J].中学物理，2018（4）：29-31.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]https：//zhidao.baidu.com/question/436894268541221604.html