基于STEM理念的高中物理实验装置的开发*

洪华标

(梅州市教学研究室 广东 梅州 514021)

宋刘影 冯永庆

(梅县东山中学 广东 梅州 514017)

1 物理实验融入STEM教育理念的必要性

传统教育把课程按不同学科划分，其优点是有利于知识的条理化、逻辑化，便于学生吸收掌握,其弊端是导致学科之间彼此孤立、相互分离，缺乏相互协调与横向联系，不利于对知识体系从整体上把握，割裂了教育和真实世界的有机联系.这就导致学生在面对实际生活问题时无从下手，应用单一学科知识无法解决实际问题，会让学生产生学无所用的错觉，不利于培养学生的学习兴趣，不利于培养创新人才.

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出要通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的学科核心素养[1].如何落实课程标准的要求，培养创新人才，笔者认为基于STEM教育理念开发高中物理创新实验是可行之路.物理是一门实践性较强的学科，在物理实验教学中融入STEM教育理念具有天然优势.

STEM教育理念最早是由美国国家科学基金会(NSF)提出的一种融合了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)与数学(Mathematics)4门学科的跨学科教育理念，其宗旨是打破学科之间的隔阂，培养青少年的核心素养[2].STEM教育是在学习单一学科的理论基础之上，进行跨学科学习，通过团队合作，解决实际问题，将学科知识与生活实际相结合的学习过程.STEM教育有助于破除分科教学带来学科之间知识相互割离，缺乏系统性的弊端.有研究指出：“以作品开发为取向的STEM教育理念融入中学物理课堂教学，是对课堂中已有科学探究的补充，学生通过实践，能更好地培养动手能力，更好地培养综合素质.”[3]笔者所在的研究团队融合STEM教育理念对现有的高中物理实验进行改良、革新或创造，目前积累了一些经验，现整理成文，以飧读者.

2 高中物理创新实验装置的开发实践

基于STEM教育理念的作品开发取向，近几年笔者所在的研究团队侧重开发高中物理创新实验装置，以弥补传统物理课堂最为缺乏的工程教育和技术教育.结合当前高中物理实验呈现现象显著化、研究定量化、测量精准化、开展生活化的发展趋势，研究团队开发了4套创新实验装置.

2.1 楞次定律示教板 创新现象呈现 变细微为显著

对于一些实验现象不易观察的实验，通过改进器材，或重新进行实验设计，使细微的实验现象显著化，便于学生观察，从而改善教学效果.例如,目前人教版教材中探究楞次定律的演示实验，利用磁铁插入和拔出线圈,通过观察电流表指针的偏转方向来确定感应电流的方向，进而来判断感应电流的磁场方向,从而分析得出楞次定律.上述实验存在以下两个不足：(1)利用电流表的偏转方向来判断感应电流方向既复杂又抽象；(2)磁铁插入和拔出线圈时指针发生偏转，但很快又会回摆，会有学生混淆指针的摆向.为了解决以上不足，我们开发了楞次定律示教板[4]，如图1所示.通过红蓝二极管的发光情况来展示感应电流的方向.我们绕制了5 000 匝的大线圈，采用圆柱形钕铁硼超强磁铁(比普通磁铁强10倍左右)；红、蓝2个 二极管LED灯分别焊在铝塑板上，如图所示连接电路，利用二极管的单向导电性，在LED 灯并联反接的实验电路中，每次磁铁插入和拔出线圈时产生的感应电流只能使其中一只二极管发光，根据二极管发光颜色判断感应电流的方向，进而判断出感应电流的磁场方向，最终归纳总结得出楞次定律.当强磁铁插入和拔出线圈时，红、蓝色二极管发光亮度高，实验现象明显，能较好地引起学生兴趣，演示效果好.

图1 楞次定律示教板

2.2 磁感应强度测量仪 创新研究方向 变定性为定量

图2 电流杠杆天平

图3 磁感应强度表

该实验的创新之处在于：在电流杠杆天平上可直观读出线圈所受安培力的大小，在磁感应强度表上可直观显示线圈所处位置的磁感应强度大小，实现了定量研究的目的.用该装置进行实验，现象清楚直观，结果准确度高，能有效加深学生对磁场、安培力、力矩平衡等知识的理解.

2.3 重力加速度测量仪 创新测量手段 变粗糙为精准

随着现代信息技术在中学教学领域的深入推广，相较于传统的物理实验教学，数字化技术下的实验研究与创新有其独特的优越性.探索实验精确化条件并加以有效控制，引导实验朝着需要的方向发展，是高中物理实验创新的重要方向.

例如,我们开发的重力加速度测量仪测量本地的重力加速度，如图4所示. 为精确地采集和处理数据，我们采用Tracker软件追踪小球自由下落的轨迹，通过软件拟合小球自由下落的位移时间图像，分析曲线方程得出小球下落的加速度.为方便Tracker软件快捷的选定标尺，需要制作实验背景板，规格50 cm×80 cm.由于小球的颜色是黑色，为加大落体小球和背景的色差，背景板的颜色选择白色.在背景板上按1∶1比例将米尺画在背景板中央，尺子的颜色采用亮黄色，同时制作了支架，既可以固定背景板，又可以方便移动.

图4 落体仪

为遥控小球的自由下落，在落体支架的顶端固定了规格为吸力3 kg，工作电压为DC6 V的电磁铁，并将该电磁铁与单片机中的红外接收端口焊接在一起，用充电宝给单片机供电.通过使用单片机的红外遥控功能，实现对小球自由下落的远距离控制，提高了实验的可操作性、可重复性以及便捷性[6].实验采用Tracker视频分析软件对小球下落中的数据进行采集和拟合，得到图5所示的曲线，其拟合方程为y=4.898t2+0.378t+0.004 025，方程中t2的系数表示重力加速度的一半，由此得出小球下落时加速度为9.796 m/s2.本地地处北纬24.19°，东经116.07°，将ψ=24.19°代入重力加速度理论公式(1979年修订公式)得：g=9.780 3(1+0.005 302 4

sin2ψ-0.000 005sin22ψ) m/s2，得到本地重力加速度理论值为9.789 m/s2，实验值与理论值误差不到1‰ .

2.4 电磁感应演示平台 创新器材选取 变物品为器材

新课标指出教师要利用日常用品改进实验或者开发新实验[1].教师要有意识地对生活物品进行合理收集、巧妙选择、制作加工并加以应用，使之成为实验器材，让物理实验的开展生活化，使学生有更多动手做实验的机会，以更好地培养和发展学生的实验技能、创新能力.物理实验生活化具有趣闻性强、取材容易、成本低廉、制作简便的特点，是一种最直接的创新活动，非常适合学生创新精神和动手实践能力的培养.

例如,研究团队利用生活中常见的电磁炉开发电磁感应演示平台，选用的物品主要有：家用电磁炉一台、自制线圈、条形磁铁、小磁针、发光二极管、教学用多用电表一个(可测电流、微电流、电压)、平底锅、易拉罐等.电磁炉接通电源后，高频交变电源通过陶瓷板下方的扁平螺旋状的环形线圈形成高频交变磁场，该磁场作用于线圈便能在线圈中产生感生电动势.

利用电磁炉的励磁线圈能产生交变磁场这一特性做物理实验，不仅取材方便，而且能探究很多的实验问题，我们可以指导学生完成如下任务：(1)绕制线圈，实现磁生电，如图6所示；(2)设计方案，探究通电线圈对小磁针的作用力方向和磁铁方向的关系；(3)绕制匝数不同的线圈组，探究电动势的大小与线圈匝数的关系，如图7所示；(4)设计方案，探究通电线圈对磁铁的作用力大小和电流大小的关系；(5)设计方案，研究电磁阻尼、电磁炮模型……

图6 磁生电 图7 探究电动势与线圈匝数关系

这些有趣的创新探究实验能较好地培养学生们的学习兴趣和创新意识.

以上是研究团队开发的4个创新实验装置，STEM要素融合情况如表1所示.

表1 STEM要素融合一览表

3 结束语

在物理实验教学中，教师结合不同学情，指导学生不同程度地参与基于STEM教育理念的高中物理创新实验装置的开发过程，并用之完成相应实验，将有助于培养学生的主体参与意识，激发学生学习物理的热情，有助于提升学生的物理学科核心素养，有助于培养学生的创新思维和创新能力，值得广大同行借鉴.