基于STEAM理念的物理实验项目设计——以“探究近视、远视的成因”为例

(湖北省武汉市楚才中学,湖北 武汉 430051)

STEAM教育融合多学科,突破了传统的以学科为主线的教育模式,可培养学生的跨学科实践能力,受到我国及世界各国学者的普遍关注。STEAM教育的特征有：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、实证性等，STEAM的理念符合我国物理课程改革要求与发展趋势,它不仅是对学科进行整合性的教育,也是一种课程设置的趋势，更是一种教学方式的革新。[1]在开发STEAM课程时,以学生为中心、教师为引导者,学生通过小组合作探究的形式,综合运用跨学科知识解决真实问题。在STEAM课程学习过程中能有效地培养学生的综合应用能力、创新实践能力和团队协作能力。

1 项目背景

由于学校实验室只购置了一只变焦水透镜,因此在“人眼怎样看清远近不同的物体”和“近视、远视眼的成因与矫正”的教学中,通常借助演示和讲授帮助学生理解，不能开展分组实验教学。自制变焦水透镜对一般的物理教师来说比较困难,而3D打印为自制教具提供了利器，变焦水透镜这种并不复杂的教具也适合学生设计、制作。基于以上分析，笔者在教学中开发了“用3D打印技术设计制作变焦水透镜并探究近视、远视眼的成因”的实验项目。

2 学情分析

该实验项目活动面向八年级“3D打印社团”的学生,这些学生好奇心强,喜欢动手实践。通过3D打印课程的学习,学生已具备一定的3D建模能力,会独立用“123D Design”软件建模、打印简单的物品。他们学习了机械运动、声、热、光等内容,做过探究凸透镜成像规律的实验,具备初步的实验探究能力。

3 项目学习目标

S(科学)：通过实验探究，体会水凸透镜厚度的变化对焦距及成像的影响；通过实验加深理解凸透镜成像的规律；通过实验探究，加深对近视、远视成因的理解。

T(技术)：巩固并熟练应用3D建模软件。

E(工程)：根据光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管内径、橡皮筋宽度等确定变焦水透镜的合理尺寸；操作3D打印机打印作品。

A(艺术)：绘制实用美观的设计草图。

M(数学)：测量光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管内径、橡皮筋宽度等；在设计草图上标注尺寸，并进行相关测算工作。

4 项目实施与评价

4.1 实施准备

所用材料、工具为：电源、平行光源、蜡烛、蜡烛座、打火机、光具座、光屏(带铁杆)、烧杯、水、注射器、橡皮管、橡皮筋、止水夹、透明弹力橡皮膜、刻度尺、3D打印机等。

4.2 实施过程

4.2.1 项目导入,收集信息,设计方案

(1) 项目导入

教师提出项目的任务要求：用常规方法制作变焦水透镜比较麻烦,同学们已具备一定的3D建模能力,请大家设计制作一只变焦水透镜,用来探究人眼看清远近不同物体的原理和近视、远视的成因,完成实验报告,写一篇简短的学习心得。

(2) 收集信息

学生活动3人一组,在网上查资料,了解变焦水透镜的结构、原理。

(3) 设计方案

教师指导：① 展示光具座等；② 提示需要测量光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管内径、橡皮筋宽度等，要求学生根据光具座上孔的尺寸、平行光源中心高度、橡皮管内径、橡皮筋宽度等确定变焦水透镜的合理尺寸,绘制美观实用的设计草图；③ 展示变焦水透镜。

学生活动：小组合作绘制设计草图,标注尺寸。

教师指导活动：解答学生疑问,指出存在的问题。

4.2.2 制作作品

(1) 3D建模并优化

教师提供所需的其它器材为：弹性较好的透明橡皮膜、注射器、橡皮管等。学生3人一组,用“123D Design”软件建模(图1),发现有无问题,提出改进意见,教师适时指导。

图1

(2) 学生在课余时间完成3D产品打印，组装变焦水透镜(图2),试验密封性。

图2

4.2.3 实验探究

学生实验前复习凸透镜成像规律、人眼看清远近不同物体的原理、近视和远视的成因及矫正。小组合作实验探究并完成实验报告,撰写学习心得。

(1) 组装实验装置(图3)。

图3

(2) 用注射器向水透镜中注入适量的水,用止水夹夹住橡皮管。调节光屏,光屏上的像清晰,测出水透镜的焦距；用注射器从水透镜中抽出一定量的水,水透镜的焦距变_________；再注入适量的水,焦距变_________。

(3) 用蜡烛替换平行光源,距变焦水透镜的距离大于_________,调节光屏,使光屏上烛焰的像清晰;当蜡烛远离水透镜,发现光屏上的像变_________,用注射器从水透镜中慢慢地抽出一定量的水,像又清晰了,此时水透镜的焦距变_________。

(4) 当光屏上烛焰的像清晰时，将蜡烛靠近水透镜,发现光屏上的像变_________,用注射器向水透镜中慢慢地注入一定量的水,像又清晰了,水透镜的焦距变_________。

(5) 用平行光源替换蜡烛,当光屏上的像清晰时,用注射器向水透镜中再注入一定量的水,水透镜变厚,用止水夹夹住橡皮管,晶状体的曲度不变(不能变焦),模拟近视眼,发现光屏上的像变_________,像成在光屏_________方,当光屏向_________方向移动时像又清晰了。

(6) 用注射器从水透镜中抽出一定量的水,比步骤(6)中注水前的厚度薄,用止水夹夹住橡皮管，晶状体的曲度不变(不能变焦),模拟远视眼,发现光屏上的像变_________,像成在光屏_________方,当光屏向_________方向移动时像又清晰了。

(7) 近视、远视眼的调焦能力弱,人眼的视网膜(相当于光屏)的位置也不能变化,我们可以给近视眼佩戴合适度数的_________进行矫正;远视眼可以佩戴合适度数的_________进行矫正。

4.3 项目评价

项目评价采用过程性评价和终结性评价相结合的方式，评价主体为教师和学生，评价内容和标准见表1。

表1

5 结语

实验项目化学习基于STEAM教育理念，学生在项目化学习过程中，通过自身的实践操作与思维活动，将知识应用与创新思维结合起来，经历从发现问题、解决问题的全过程，在此过程提升了核心素养。