基于手机编程软件开展STEM教育

莫敏

开展STEM教育是顺应时代发展潮流的必要举措。2018年教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，要求发挥技术优势，变革传统模式，推进新技术与教育教学的深度融合，真正实现从融合应用阶段迈入创新发展阶段。在这一政策的指引下，笔者基于编程环境，结合高中物理、数学、信息技术等学科开展STEM教育，优化教学方案，培养学生的综合能力。

一、手机编程软件融合STEM教育助力物理实验教学

STEM是科学（Science）、技术（Tech-

nology）、工程（Engineering）和数学（Math）四门学科英文首字母的缩写，其中科学知识的学习意义在于帮助人类认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则可帮助人类在尊重自然规律的基础上改造世界，实现与自然界和谐共处，解决社会发展过程中遇到的难题;数学则是技术与工程学科的基础工具。STEM教育意义重大，但实施起来存在一些阻力：一些学生以为STEM教育是只针对某个学科的教育且偏离学科课程标准要求，担心会耗费太多精力;还有一些学生以为STEM教育活动只能在学校实验室开展;教师设计的STEM课程难度过大，部分学生常有挫败感。

为克服教学中遇到的阻力，笔者结合STEM教育的要求，以“抛体运动”为例，引导学生在学习使用手机编程软件App Inventor编写程序的同时巩固物理和数学知识，强化对规律和公式的记忆，再抛出考试真题启发学生思考、质疑，借助生活中的物品设计物理实验进行求证，让学生在家里也能做实验。笔者设计的系列活动，难度是层层递增的，能让不同层次的学生都能有所收获。

二、教学活动的设计与执行

根据学生的知识基础和接受能力情况，笔者设计了一系列教学实践活动，计划用三个课时在电脑室完成。综合高中物理、数学、信息技术等学科的课程标准要求，笔者设定了教学目标（见表1）。

在物理课堂上，学生已了解“抛体运动”的理想模型特征，接触化曲为直的分析方法。笔者让学生先参与“编写公式，输出轨迹”的活动，再用运动轨迹反过来熟悉物理公式，实现对物理观念的理解的螺旋式上升。

（一）编写语句，输出运动轨迹（以平抛运动为例）

学生刚接触App Inventor，对组件设计和逻辑设计还不熟悉。笔者先用简单的程序语言帮助学生熟练操作并模拟运行，让他们体验编程的乐趣并收获成就感。此外，理想模型方法是抓住主要因素（忽略次要因素）分析问题的一种方法。教学时，笔者通过平抛运动这个理想模型渗透物理方法，为之后研究非理想模型作铺垫。

主要编程语言如图1所示，运动轨迹如图2所示。

教学时，笔者先展示主要的编程语言。输出轨迹时，学生遇到诸如显示轨迹不多等问题，这时笔者给学生一定的思考空间，培养他们自主探究的能力。

（二）查阅资料，小组展示

分析物体运动时，需要考虑阻力。笔者提出问题：什么时候需要考虑阻力？阻力与什么因素有关？

查阅和收集资料是学生应该掌握的技能，但他们往往不知道去哪里收集资料，如何收集资料。教学时，笔者要求学生登录某公共图书馆注册，免费下载论文。学生分组展示学习成果，充分交流，有效表达。

（三）问题引导，掌握语言

笔者提出问题：若小球的水平速度为0，运动过程中所受的空气阻力恒为重力的1/5，且与地面碰撞后总是以原速率反弹，如何编写程序语言？

小球反弹的编程语句，如图3所示。

由于小球受到阻力，向上和向下运动时合力大小不同。笔者要求学生对球进行受力分析，再应用选择语句：如果……则……否则……

受力分析语句如图4所示，运动轨迹如图5所示（注：原运动轨迹为直线，为方便演示而改为曲线）。

掌握并恰当运用语句，如输入和输出语句、赋值语句、选择结构语句等，是高中学生需要具备的知识与能力。教学时，笔者让学生先想象小球的运动轨迹，再用编程的方法实现运动轨迹的可视化。图5中的运动轨迹生动形象地显示了阻力的作用，这也为我们开展下一个活动（求运动轨迹的长度）埋下伏笔。

（四）应用数学，融合教育

在上述活动的问题的基础上，笔者提出问题：若小球的水平速度为0，阻力f=0.2mg，落地时离地高度为h₁，请计算小球在空中运动的总路程s。

解法1：用动能定理。

学生用全程法分析问题：mgh₁-fs=0，得到s=5h₁。

解法2：由数学归纳法。

第一次反弹的高度h₂=2h₁/3;

第二次反弹的高度h₃=2h₂/3;

……

由此归纳得第n次反弹的高度为

即为等比数列。

学生应用等比数列的有关知识s_n=h₁+h₂h₃+…+h_n，公比为q= ≠1，得到

最后解得走过的总路程s=5h₁。在此，笔者再提出新问题——如何用流程图表示求解过程？笔者设计的流程图如下（如图6）。该流程图清晰地展示了编程中的循环结构。教师教学时，可引导学生根据流程图编写循环语句（如图7）。

笔者通过以上活动让学生感悟什么是物理学，就是基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。在活动中，笔者引导学生活用数学解决物理问题，同时，处理好数学、物理和信息技术等学科之间的关系，唯有这样，学科才会融合互促，学生综合能力方能提高。

（五）大胆质疑，设计实验

笔者先用一道高考题作为引子，激发学生的好奇心。

2019年全国Ⅰ卷第18题：篮球架下的运动员原地垂直起跳扣篮，离地后重心上升的最大高度为H（如图8）。上升第一个H/4所用的时间为t₁，第四个H/4所所用的时间为t₂。不计空气阻力，则t₂/t₁满足（）。

A.4<      <5 B.3<      <4

C.2<      <3D.1<      <2

教学时，笔者不仅要求学生理清物理过程和物理规律，而且注重培养学生大胆质疑的能力，指导他们设计实验方案进行科学探究。

基于该试题的情境，笔者提问：虽然题目中说不计空气阻力，但是运动员向上跳起时真的可以忽略阻力吗？请大家设计实验来得出t₂/t₁的大小，实验器材不限，可以是生活中常见的物品，如手机等。

对于该问题，笔者留给学生一定的思考时间。教师将具有一定复杂程度的、开放性的生活场景作为任务情境来教学，可最大限度地活跃学生的思维，提高学生的动手制作能力，达到STEM教育的目的。

关于探究运动员竖直向上跳起是否可以忽略阻力，学生提出以下方案。

方案一：手机应用市场上已经有记录加速度的程序，可以尝试将手机带在身上，再原地垂直起跳。

方案二：应用App Inventor和手机自带的加速度传感器，自行设计出记录加速度的程序。

如何设计实验来得出t₂/t₁的大小，有学生受到平抛运动实验中求重力加速度实验的启发，提出如下实验方案（见表2）。

还有一些学生提出，用秒表或者手机的连拍功能来记录时间。笔者鼓励学生敢于去设计和实践实验方案的精神，并没有急于否定学生的想法。

该活动与生活中的情境密切相连。笔者为达成实验目的，设置问题情境，从科学探究的角度设计实验方案或制作实验器具，为学生参与创新和实验活动搭建平台，同时也让学生意识到周围的物品也作为实验器材，实验室就在身边。

三、结论与反思

STEM教育关注学生的综合能力发展，注重不同学科知识的融会贯通，着重培养具有创新能力和综合素质的人才。STEM课程不只是针对某节课，而是针对系列课程或者活动，学科融合教育的理念应该贯穿整个系列课程。教师设计并实施难度递增的系列课程，有利于让学生在探究过程中获得成就感。

STEM教育对教师的综合能力提出了较高的要求。教师在教学设计时不应局限于某个知识点，要有全局观，潜移默化地提高学生的综合能力。

注：本文系广东省广州市增城区教育科学“十三五”规划课题“基于核心素养培养的高中物理课堂教学情境生活化研究”（编号：ZC2020013）、广州教育学会的立项课题“中学物理学科课程资源开发与利用研究”（编号：KTLX1202030673）的研究成果。

责任编辑：祝元志