物理实验器具制作活动的STEAM教育功能初探

苏虹 张伟

(内蒙古师范大学物理与电子信息学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

STEAM教育是集科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)、数学(Mathematics)于一体的综合教育，倡导多学科通过综合课程相互融合，让学生在真实的问题情境中，基于项目活动，应用多学科知识解决问题。

我国基础教育阶段的通用技术课程关注学生的技术素养，以专题或项目学习方式，促使学生运用多学科知识进行创新设计与制作，由此掌握工具的使用技能，提升解决技术问题的能力。物理实验器具的制作是为开发物理实验、改善物理实验教学条件而开展的活动，通常关注的是动手解决实验条件的不足，强调学生通过制作活动加深对相关物理知识的理解。

目前，我国中学开展STEAM教育活动的形式多为校本课程或社团活动，通用技术是独立开设的课程，二者与特定学科内容有所关联，但融合不够。物理实验器具制作则专注于物理教学，对学生技术素养和运用多学科知识解决问题能力的培养关注不足。

笔者基于指导中学生物理实验器具制作的实践，认为依据学生的物理基础，恰当选取制作项目，物理实验器具制作可同时成为通用技术课程实施以及STEAM教育的载体，可实现对学生技术素养的培育，并达成STEAM教育目标。

1 物理实验器具制作活动可培养学生的技术素养

20世纪80年代朱正元先生提出“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的思想，对解决当时实验仪器匮乏的问题具有重要意义。随着时代的发展及学校条件的改善，物理实验器具制作的工具、材料及其购置途径都发生了显著变化，车床、3D打印，甚至数控雕刻等高端设备逐步进入实验制作室，通过收集生活废弃物以及网络购买，又可以获取过去很难得到的材料，这就为提升物理实验器具制作的技术水平、开展STEAM教育提供了良好条件。

1.1 通过制作活动培养学生的技术素养

在高中物理教学中，物理实验器具制作除了关注实验本身外，可以适当关注材料与制作技术，从而培养学生的技术素养。

比如，学生在仿制摩擦起电机时，依据静电原理设计制作方案后，选用什么材料以及如何制作才能使起电效果最佳就成为关键。学生用纤维毛领替代羊毛皮作为摩擦起电机起电装置主材料，并与摩擦静电起电机原型进行对比(如图1)，发现纤维毛领的毛质更紧密、柔顺，将其与洗洁精空瓶组合成起电装置效果较好。学生参照摩擦起电机原型，组装、变更、调整制作工艺，可制出性能良好的摩擦起电机(如图2)。

图1

图2

1.2 通过制作活动可提升学生的物化能力

物化能力是指采用一定工艺方法等，将设计方案转化为有用物品，或对已有物品进行改进与优化的能力。

物理实验器具制作是综合性强且较复杂的实践活动，需要根据实验室设备条件、制作材料及预期的实验功能等绘制设计图，调整方案，优化部件结构。例如，学生在摩擦起电机设计活动中，完成初始设计，在了解制作材料性能、掌握一定工艺方法的基础上优化摩擦起电机设计图(如图3)。

图3

学生应用木工、金工工具因地制宜地开展实践制作活动，经历加工装配流程，将设计方案转化成物理实验器具，提升了学生的物化能力。

1.3 通过制作活动培养学生的工程思维能力

工程思维是以系统分析和比较权衡为核心的统筹性思维。制作物理实验器具时学生经过比较、选择恰当的方案解决技术难题，提升了学生工程设计、选择、判断能力，有助于培养学生的工程思维。

例如，在范德格拉夫起电机制作项目中将易拉罐作为起电装置，学生对是否保留易拉罐内壁绝缘层展开了讨论，在要素分析、整体规划后设计制作方案。并开展探究活动。学生设计了三种方案，分别制作相关装置，与其他部件组装成范德格拉夫起电机，并开展静电实验探究：将易拉罐绝缘层打磨(如图4)；在易拉罐内、外壁粘贴铝箔纸(如图5)；保留易拉罐绝缘层(如图6)。

图4

图5

图6

学生通过系列探究比较活动后，发现：保留了绝缘层的易拉罐作为范德格拉夫起电机起电装置起电效果最好。设计多种方案解决范德格拉夫起电机起电效率低的难题，学生在组装、测试中解决工程技术问题，提升了学生工程思维能力。

2 物理实验器具制作是开展STEAM教育的有效途径

物理实验器具制作活动可以作为STEAM教育的载体，在通用技术课中开展。

2.1 物理实验器具制作可以促进STEAM教育的项目化

物理器具制作活动在满足通用技术课程实践项目要求的同时，促进了STEAM教育项目化，以通用技术课倡导的“大工程、小项目”理念开展物理器具制作活动，将制作工程细化为各个制作项目，可促进STEAM教育项目化的实施。

例如，在通用技术课上制作范德格拉夫起电机时，学习小组设计了多个制作方案，将传动装置划分为制作项目，以便确定发电机传动装置的规格。第一组用降速电机带动透明橡胶管，在橡胶管填充薄钢管增强其塑性，作为传送装置。第二组用降速电机带动乳胶管，并在乳胶管填充中性笔笔芯增强传送装置的韧性，作为传送装置。第三组用降速电机带动橡胶笔杆作为传动装置，在笔杆外缠绕橡皮筋，以增加其与绝缘胶带的传动能力(如图7)。通过选取适当的材料和制作工具，将三组实验方案设计制作成起电机装置，通过测试、对比发现：第三组设计方案的联动性最好且传动效率最高。

图7

以工程思维将物理器具制作活动细化为几个独立项目，应用数学建模、分析等方法解决制作问题，可促进STEAM教育的项目化和工程化。

2.2 物理实验器具制作为STEAM教育提供了最佳载体

借助通用技术课、以物理器具制作活动为载体开展STEAM教育，不仅避免了课程资源的浪费，还节省了学生学习时间，减轻了学生学习负担。

学生在通用技术课程中根据物理实验器具制作要求，在物理教师指导下完成方案设计，熟练运用制作工具，通用技术实验室为学生实践制作提供了设备支持，物理教师为学生提供了技术和理论指导，物理器具制作活动满足了学生的技术学习需求，为STEAM教育提供了良好途径。

2.3 多学科实验器具制作活动为开展STEAM教育提供思路

通用技术课与物理学科结合开展STEAM教育活动，以物理实验器具制作作为实践项目，为中学开展STEAM教育活动提供思路，为通用技术课程与其他学科结合开展STEAM教育活动提供参考。

例如，通用技术课与化学结合开展STEAM教育，以原子、分子结构模型制作作为实践项目，在模型制作活动中加深学生对物质结构的理解；与生物结合开展STEAM教育，以标本制作作为实践项目，在标本制作中提升学生对动、植物认识；与数学结合开展STEAM教育，以几何模型制作作为实践项目，加深学生对几何结构认识，提升学生空间感知能力。

通用技术课与学科实验器具制作结合开展STEAM教育活动，经过合理的课程设计，STEAM教育与通用技术课融合，并与理科课程结合开展实践制作活动，为分科教学背景下开展STEAM教育活动提供了思路。

3 结语

物理器具制作活动可促进通用技术课程与STEAM教育融合，促进STEAM教育向项目化、模块化发展，为STEAM教育开展活动提供了最佳载体，为多学科实验器具制作活动开展STEAM教育提供思路，物理实验器具制作活动可较好地实现STEAM的教育功能。