STEAM教育理念下高中物理实验设计

摘 要：以Tracker软件探究单摆运动规律，跨学科综合运用物理、技术、工程和数学知识，对数据进行拟合处理，并对结果作简要分析，在STEAM教育理念的指导下，通过多学科的整合，以学生为主体，充分发挥学生的主动性培养学生的创新思维和实践能力，对基础教育物理实验的改革起到抛砖引玉的作用.

关键词：STEAM教育;Tracker;单摆

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）05-0045-03

作者简介：许文龙（1977-），男，浙江瑞安人，硕士，中学高级教师，研究方向：物理课程与教学、物理竞赛.

目前世界各国正在进入新一轮的竞争，纷纷出台了各种国家战略，以应对新技术发展与产业革命.在这种竞争中谁能胜出，关键在于人才.世界各国非常重视人才的培养，尤其是STEAM人才的培养，各国均站在国家发展战略的高度来看待STEAM教育的重要性.物理实验是基础教育的重要组成部分，它影响学生的实践能力和科学观的培养，影响新课程核心素养理念的落实.基础教育物理实验教学急需新教育理念的引领，而STEAM教育正顺应了这样的需求.

1 STEAM教育理念

STEAM教育在原有STEM教育基础上加入了艺术（Art），是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathmatics）英语首字母的缩写.STEAM将原本分散的五门学科集合成一个整体，分别代表着五类素养，分别是科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养和数学素养.它有助于学生从更多视角认识不同学科间的联系，提高自身综合运用知识解决现实问题的能力.

STEAM教育主要以基于项目的学习、问题的学习为主要教学（学习）的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界，培养学生解决问题的创新能力，引导学生通过合作与实践，完成主题项目和解决生活中遇到的难题.作为一种超越传统的教育模式，它引导学生适应不断更新的专业知识和快速变化的社会生活.

将STEAM教育理念融入基础物理实验教学中，可以有效改善常态基础物理实验教学的弊端.STEAM教育理念下的基础物理实验教学需要在教学过程中渗透基于物理学的技术应用和工程建模、注重数学运算、联系物理学前沿动态以及现代技术等，对教学内容进行适当重组和扩展，引导学生将物理与技术、工程、艺术及数学进行有机整合，提高学生的综合素养.

2 STEAM教育理念下物理实验教学的改进

利用Tracker探究单摆运动规律是高中物理基本实验的拓展，它对学生通过单摆运动图像深化理解单摆的运动规律和培养学生实验创新意识、数字化实验能力有很好的辅助作用.本文以STEAM教育理念为切入点，结合基于Tracker探究单摆运动规律实验案例，探讨如何在STEAM教育理念指导下开展物理实验课程教学的创新设计.利用Tracker深度探究单摆运动规律，突出体现STEAM教育的综合性、探究性、自主性、互助性、实践性和创新性等特征.

2.1 传统实验装置及其不足

传统实验利用漏斗一边来回摆动一边匀速拉动漏斗下方的硬纸板，观察漏斗所漏出的细沙在硬纸板上留下的痕迹来研究单摆的运动规律.实验原理是用硬纸板的匀速运动的位移等效代替单摆运动的时间，用漏斗左右摆动表征单摆的位移，如图1所示.

使用沙漏演示单摆运动规律的方法虽然简单易操作，但其精确度不够，适合半定量探究，其误差主要来源于“漏沙”过程中沙粒运动的影响及难以控制的硬纸板匀速前进.这种装置和实验方法不利于培养学生运用跨学科知识分析解决问题的能力，难以有效落实新课程理念下的核心素养目标.

2.2 改进实验培养学生的综合素养

用手机拍摄单摆运动视频，利用Tracker软件分析摆球运动拟合出单摆运动的图像.Tracker是一款视频分析软件，是由美国卡里洛大学的道格拉斯·布朗教授开发，Tracker通过分析所拍摄的视频，追踪选定对象的运动轨迹，就可以快捷地进行数据分析，归纳物理规律，并允许用户建立自己的运动学或动力学模型进行模拟实验.Tracker已成功用于运动学、动力学，甚至光谱分析等领域的实验研究.软件界面如图2所示，所用到的器材有手机（相机）、直尺、小球和细绳等.

该实验方法充分体现了学科知识的整合取向，实验过程要求学生综合运用物理、数学、工程、技术等学科知识处理数据得出规律，培养学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养.STEAM教学以准确的科学原理为依托，掌握各学科基础知识仍然是开展STEAM教学的前提，因此在这一实验中，学生必须提前了解单摆运动的相关知识，这也说明了STEAM教学设计很重要.

2.3 实验步骤及数据拟合处理

在纯色背景墙上确定好标尺，比如黑板面上，学生用手抓住细绳上端，细绳长25cm，绳下端系住一个小球，用手机拍摄小球在竖直面内摆动的短视频，通过微信、QQ、APP等将短视频发送到电脑，在电脑上运行Tracker软件，点击左上角菜单：文件—打开，载入短视频进行分析处理.具体步骤如下：

（1）=1＼*GB3单击Tracker软件：新建—定标杆.将此标杆上的数字改成0.25单位为m，并将标杆锁定隐藏.

（2）=2＼*GB3单击直角坐标轴.按住坐标轴拖动它，将坐标轴的原点拖到摆球运动的最低点，作为描绘单摆运动的坐标原点，锁定并隐藏坐标轴.移动黑三角形（▲）选择跟踪的视频范围.

（3）=3＼*GB3单击按钮创建—质点，创建一个“质量A”，单击菜单中的自动追踪，根据提示将红色方形虚线框缩小到刚好容纳小球的大小，单击搜索按钮，追踪分析视频得到结果如图3所示.

（4）=4＼*GB3在图3右侧上方波形上点鼠标右键，选择“分析”—“拟合”，选择拟合曲线为x=x0+A*sin（B*t+C），设置合理参数后得到图4所示的拟合结果.从图4看出拟合曲线与实际测量数据点吻合得相当好，其初始位移偏差x0=3.086×10-3m，相位C=1.136，振幅A=3.261×10-2m.从图4波形中得出其周期T=1s.根据单摆周期公式，摆长25cm的单摆，其周期为T=2π lg≈1s.

3 STEAM教育理念下实验结果分析

改进后的实验比原先的更能体现综合性和新颖性，需要学生运用多学科素养才能开展探究，体现跨学科特性.实验数据的采集由计算机完成，精度高，误差小，实验结果直观.在实验设计方面，基于STEAM教育理念，结合工程、信息技术及数学知识进行设计并开展探究，所涉及的STEAM知识见表1.与传统基于“沙漏”的实验相比，学生花费更多时间进行自主思考与探究，培养了学生的创新能力、数字化实验能力，激发了学生的学习热情，调动学生学习的积极性.改进后的实验方案简单易行，可让学生在课堂合作探究：一个学生拿着单摆在黑板前摆动，另一个学生用手机（相机）拍摄短视频，然后由学生导入电脑进行数据拟合，处理过程与结果直接通过多媒体展示给全班学生.真正实现了信息技术与传统实验技术的整合，培养学生合作探究精神和能力，有利于学生将理论知识的学习与实践探究更好地结合.

基于STEAM教育理念的物理实验在课程设计和教学质量上均有明显优势，但改进后的物理实验，课程任务周期长，占用教学时间多，而且需要教师和学生熟悉技术和工程方面的知识，这使得STEAM教育理念在当前阶段难以得到广泛应用，因此，可将其作为综合实践类和探究类物理实验课程开设.

4 結束语

基于STEAM教育理念的物理实验与传统常态物理实验不同，它不再限于学科本身，而是将技术、工程、艺术和数学与高中物理相结合.STEAM理念不仅体现在实验方案的选择、实验装置的设计上，也体现在实验过程中，鼓励学生通过合作与交流进行探究，把学生的学习和跨学科课程设计相结合，为探究基础物理实验教学的创新和改革提供新思路与新方向.

参考文献：

[1]段雨薇.探索STEAM教育项目样态 助推科技教育创新变革[J].中学物理，2019，37（23）：5-8.

[2]段雨薇.基于STEAM理念的物理实验课程实践——STEM教育视角下《超重》教学案例[J].中学物理，2018，36（23）：44-47.

（收稿日期：2020-11-11）