STEM教育视野下促进物理学科核心素养提升的高中物理实践活动的探索

孙佩雄 刘通

摘 要：STEM教育是综合科学、技术、工程和数学四门学科的简称，其主要围绕技术与工程问题，为学习者设置一系列背景活动并完成工程任务。本文主要体现在高中物理活动教学中，将STEM教育与物理学科核心素养相结合，形成以“电磁炮”项目为案例的创新活动设计。该实践活动设计包括教学背景的分析，基于STEM教育理念促进物理学科核心素养提升的教学目标和设计思路，实践过程以及教学反思，阐述高中STEM物理活动教学是在工程问题的基础上，运用数学、科学知识，通过技术达成最终目标，培养适应社会的创新性人才。

关键词：STEM教育；核心素养；电磁炮；物理实践活动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）9-0015-4

物理学科核心素养是学生在物理学习过程中不断形成的适应社会需要和个人发展的必备品格和关键能力，对学生的发展有着重要的意义。培养学生物理学科核心素养，可以从“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面入手。国务院在前不久颁发的《关于深化教育体制改革的意见》中也指出，要注重培养学生的认知、合作、创新和职业四大关键能力。这四大能力在上述四个方面中均有体现。

STEM是由Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）的首字母所组成的。这也就是说，STEM教育重点是加强对学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的培养。但这并不意味着STEM素养就只是科学、技术、工程和数学素养的简单组合，而是学生灵活运用知识和经验去解决实际问题的能力。STEM教育理念与物理学科核心素养的提出不谋而合，事实上，物理实践活动教学不仅仅是教师在课堂上向学生传授知识，还需要学生在理解知识后，把它作为一种工具和方式去探讨科学。将STEM教育理念应用于物理活动教学中，不仅可以改变教学方式，还可以使学生在学物理知识的同时学到其他的知识及方法，从而培养学生成为创新型人才[1]。

现在对STEM教育的看法大致上可以分为两种：第一种是将它看作是以工程和科学为主的给学生提供与其相关的学习经历的教育；第二种是在科学知识的基础上，把四门学科有机地结合起来去解决问题的方式。笔者对STEM的物理活动的研究是用第一种看法来开展的，以下是在物理学科核心素养基础上的STEM课程的创新与实践的例子。课程的主题为：“电磁炮”（共历时4课时）。

1 教学背景分析

本活动课程是在天津市第二十一中学的实验班进行的。学生学习能力较强，学科知识扎实，特别是物理学科成绩较为突出，且他们刚刚完成高中人教版物理教材選修3-1的《静电场》《磁场》和《电容器》以及选修3-2的《电磁感应》和《交变电流》部分内容的学习，对电磁现象、电容器以及电路等内容有一定的认识，这些使得他们在科学知识方面可以完成“电磁炮”项目。但这些学生在电磁现象的综合应用方面存在一些问题，他们不能把学到的知识灵活地应用到与其相关的问题上。笔者选择“电磁炮”为课程主题是基于以下两个原因：（1）项目本身是一个有趣的情境实验，能够激发学生的兴趣，综合电磁的物理知识，使学生对电磁现象的应用有更深刻的理解；（2）学生不能很好地单独完成此项目，所以此项目可以通过学生合作完成来培养他们的合作和创新能力。

2 实践活动设计思路

此STEM 物理活动实践教学，通过“电磁炮”项目来达到学习拓展的目的，将科学、技术、工程、数学等方面充分融合并加以运用。在实施项目的过程中首先提出工程任务，结合学生已具备的科学知识与经验，利用所给材料设计一套方案；再通过物理学科背景实验活动一步步了解工程的设计过程，并在完成实验的过程中学习和探索科学知识，利用数学知识分析解决问题；最后将解决途径具体化，通过小组的分工配合，达到最终目的。

针对“电磁炮”项目，从四个层次进行剖析。科学层次需要了解电磁和电容的相关知识，整个项目主要建立在高中物理所学的电磁学知识上，主要包括电路设计、电磁感应现象、使用电容器等；技术层次主要体现在物理实验过程中；工程层次要让学生学会发现问题，提出问题并通过实验解决问题；数学层次主要体现在数据测量、计算与统筹方面，例如在制作完成“电磁炮”后，比较不同小组“电磁炮”射程的远近，做好相应记录，探究是什么因素造成电磁炮射程不同，并得出相应的结论[3]。

3 实践活动实施

3.1 第一阶段：课题引入，提出工程问题（历时1课时）

分发“电磁炮”项目的相关资料，学生自由分组，选出小组长，通过小组合作的方式，让学生先自行了解电磁炮的相关资料。资料中提到， 1845年，查尔斯·惠斯通制作出世界上第一台磁阻直流电动机，并用它把金属棒抛射了20 m远。20世纪70年代初，澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置，将3 g重的塑料块（炮弹）加速到6000 m/s的速度。20世纪70年代，澳大利亚国立大学的查里德·马歇尔博士运用新技术，把3 g弹丸加速到5.9 km/s。电磁炮是以储存的电能为动力来源，用电磁系统中电磁场产生的力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的速度。资料中部分图片展示，如图1所示。作为当代的学生，应该了解武器的原理和发展。

教师引导学生思考在完成电磁炮过程中需要解决的三个问题并进行相关物理实验背景活动，统一各组意见后得出如下三个问题：

问题一：电与磁之间存在怎样的关系？

问题二：磁场力之间有怎样的相互作用？

问题三：怎样提供动力来源？

设计意图：通过阅读电磁炮的相关资料，提出本课程的工程任务，为解决工程任务，讨论需解决的相应问题，使学生理解完成工程任务需要进行项目分解。

3.2 第二阶段：电磁炮的制作与发射（历时1课时）

在课上，教师分发项目材料——一个12 V的锂电池、一个12 V～400 V的升压电路、发射开关——继电器、两个电容器（450 V 100 μF）、两根不同粗细的电磁棒、一个卷尺、导线若干（如图2所示）。小组在查阅了文献等参考资料的基础上，合作了解各个实验器材的原理和使用方法，并设计实验电路图，根据电路图将材料连接完整，然后尝试进行发射，不断改进实验电路，使电磁炮射程最远，如图3所示。

设计意图：让学生了解电和磁的关系，运用数学知识测量射程，达到最佳效果。让学生亲自动手完成制作，一方面让学生感受科技的魅力，提高创新能力；另一方面提高了学生的动手实践能力，培养团结互助的精神。

3.3 第三阶段：电磁炮的物理背景实验活动（历时1课时）

问题1：电与磁之间存在怎样的关系？

背景实验1：在通电螺线管附近放置几个小磁针，给导线通电，重复实验并观察通电瞬间小磁针的变化。

实验现象：通电瞬间小磁针发生偏转，电流稳定后小磁针不再偏转。

实验解释：通电瞬间电流突然增大，使导线附近产生了磁场，小磁针在该磁场的影响下发生偏转。电流稳定后磁场也稳定下来，小磁针不再偏转。

背景实验2：桌面上放置一块或两块蹄形磁铁，导线直接与灵敏电流计相连。将部分导线拉直，并在磁铁的两级间沿与磁感应强度垂直的方向移动，做切割磁感线运动，观察电流表示数的变化。观察改变导线移动速度对电流表示数有什么影响。

實验现象：电流计指针发生偏转，说明导线在切割磁感线时产生了电流。切割磁感线的速度越快，电流表的最大示数越大。

实验解释：导线在切割磁感线时实际上是使闭合回路中的磁通量发生了改变。变化的磁通量使导体产生电动势，该电动势会驱使闭合回路或导体内的电子发生流动，形成感应电流。直导线移动速度越快，即磁通量变化率越大，产生的感应电流越大。

问题2：磁场力之间有怎样的相互作用？

背景实验3：将两个标好各自极性的磁铁分别固定在两个小车上，让小车放置磁铁S极的一端撞向另一小车放置S极的一端，再让两车放置N极的两端相撞，重复实验并观察产生了怎样的现象。

实验现象：小车放置同极磁铁的两端无法相撞，当两车行至一定的距离后，还未相撞就被一个无形的力推开。

实验解释：磁铁周围的磁场中产生的同极磁力具有互相排斥的性质，在相斥的磁力的作用下，两小车无法相撞。

背景实验4：将一个圆形铝环悬挂在空中，将条形磁铁的一端靠近铝环，观察实验现象。

实验现象：圆环向远离磁铁的方向运动。

现象解释：磁铁靠近圆环使圆环内的磁通量发生改变，产生感应电流，感应电流的磁场力与磁铁的磁场力相互排斥，所以圆环被排斥。

背景实验5：将螺线管与交流电源相连，在螺线管外圈套一个铝环，闭合开关，逐渐增大电源电压，观察实验现象。

实验现象：随着电压不断增强，铝环开始慢慢跳动并且跳动幅度越来越大。

实验解释：交流电电场不断发生改变，由于电磁感应，铝环中产生了感应电流，感应电流磁场方向与螺线管中电流方向相反，由于同极磁场互相排斥，铝环被排斥开。随着交流电压的增强即电流增强，磁场变化率增大，感应电流磁场也增大，斥力增大，于是铝环跳动的幅度越来越大[4]。

问题3：怎样提供动力来源？

背景实验6：使电源与电流表直接串联，待读数稳定后记录电流表读数。按照给定图示连接电路，先将开关连接至A处，待电源给电容器充满电后再将开关接至B处。观察电流表的偏转情况，并与电源直接连接电流表的现象作比较。

实验现象：电容器连接电流表瞬间，电流表指针发生极大的偏转，比电源直接连接电流表的偏转角度大得多。

实验解释：电容器的两个极板在充电过程中带上等量异种电荷，当用导线将两极板接通时，两极板上的正负电荷通过导线发生定向移动，形成电流。电容器电容越大，在同一电源中充满电后，电容器所带电荷越多即储能越多，将两极板连通瞬间电流变化越大。

设计意图：设置与电磁炮原理相关的物理实验背景活动，让学生了解并掌握电磁炮的基本原理，对自己的成果进行改进。在这样的背景探究中培养学生的观察能力和逻辑思维能力，并让他们认识到不同科学知识之间的联系，学会在实际运用中将不同的知识紧密结合，进而完成一个完整的工程项目。

3.4 第四阶段：比赛测试电磁炮的发射性能（历时1课时）

经过以上物理背景活动实验，理解了电磁炮的发射原理，学生对本组设计的电路图和搭建的电磁炮进一步完善与优化。为了让学生体会电磁炮的“威力”，教师组织学生分组比赛，通过电磁炮射程比赛，记录不同电磁炮的射程（表1），教师带领学生分别分析优胜组和淘汰组的特征，可以发现电容器并联时的发射性能优于电容器串联时的发射性能。细铁棒的射程优于粗铁棒的射程。并且在此过程，学生自主提出电磁炮的射程是否跟通电螺线管的匝数有关，是否和炮弹放在螺线管的位置有关， 绕制多级发射线圈，对比分析发射性能等问题。

设计意图：学生通过实践，在学习中发现问题，提出问题，进而通过探究解决问题，把所学的物理知识合理地运用到生活之中。用数学工具测量电磁炮的射程，充分体现了STEM教育的核心思想——实践出真知，激发学生的科学探究精神，感悟实验成果的来之不易，用趣味激发学生的兴趣，让他们爱上科学，更有动力去研究科学[5-6]。

4 实践活动反思

“电磁炮”活动项目的研究与制作，提高了学生的探索能力，同时使学生体会科学的奥秘。STEM教育的核心就是锻炼学生的动手能力，并从中理解科学、检验真理。此项目中设置的物理背景实验可以对之前的方案进行验证，并在对实验的思考与验证过程中，不断地改进，从而更靠近科学的真理。直到最后一秒，我们能真正感受到科学的魅力，感受到电磁炮的神奇之处，这与我们的探索精神密不可分。

STEM教育与物理学科核心素养的核心在于提高学生的综合能力。经过项目式的教学，提出工程问题，设计并完成“电磁炮”，要求学生具有较强的思维逻辑，同时可以培养学生利用科学知识解决工程问题的能力和勇于质疑的精神。对物理教师而言，应该鼓励学生提出问题，并根据所学知识和相应的背景活动去研究问题，找到答案，这样不仅可以巩固学生所学的知识，还可以将知识运用到实际生活中去，体验STEM教育的真正意义。

参考文献：

[1]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（4）：2-4.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践与探索——以“重现富兰克林的风筝实验”项目式学习为例[J].中学物理，2018（5）：2-6.

[4]涂德新.对“跳环实验”的深入剖析[J].物理教师，2017， 38（12）：64-65.

[5]叶兆宁.STEM教育丛书：炫酷小车制作[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2017.

[6]陈福民. 神通广大的电磁炮[J].职业教育（中旬刊）， 2011（7）：37-38.