基于STEAM教育理念的“伪3D全息投影”项目化学习探索

方强

(江北高级中学 陕西 安康 725000)

王长江

(安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241002)

张红洋

(陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710000)

STEAM课程以培养多方面综合型人才为目标，是近年来综合课程的典型代表．然而，由于社会教育资源分配不均衡、功利性评价制度制约等客观因素，导致教师STEAM教育理念薄弱及其教学实践的缺失．目前我国尚无成熟的一贯制STEAM课程体系，STEAM课程的实施需教师自行探索.课程实施首要条件是对STEAM课程载体的发掘，否则，一节STEAM课难免会变成理论分析课，若遴选的载体缺乏整合性，教学也难以向综合性思维推进．因此，如何遴选蕴含STEAM知识的综合性载体，如何引导学生从浅层学习推向深度学习？如何评价STEAM教学目标是否达成？成为践行STEAM课程必须思考问题．本文试图以“伪3D全息投影”为例进行STEAM项目化学习探索．

1 项目化学习目标

该项目化学习适用于初中“光的反射”演示实验和高中“光的反射”和“光的折射”“折射率”等内容的探究实验．“伪3D全息投影”项目的STEAM知识目标如下.

Science：光的反射、光的折射、折射率、虚像和有机化合物．

Technology：尺规作图、材料分析．

Engineering：设计、裁剪、组装和制作以及游标卡尺的使用．

Art：绘画、视频素材的选择．

Mathematics：三视图、余弦定理、勾股定理.

能力目标：绘图能力、立体空间想象力、数学运算能力、实验操作能力和溯因推理能力等．

2 项目化学习过程

2.1 问题生成

教师在暗环境下演示关于地球运动的“伪3D全息投影”实验(图1)，激发对“新奇”现象的探究，组织学生近距离观察演示实验，完成观察记录表(表1).

图1 教师演示实验

表1 观察记录表

图2 演示的投影盒

图3 演示的四分视频

通过观察记录表和教师提问，引导学生有目的地观察物理现象并提出问题，进而建立物理过程模型，将教学推进至下一个阶段——原理分析．

2.2 原理探究

(1)投影盒化学成分分析

a.单体结构简式为CH2=CH—COOR(√)；

b.链节为—CH2—CH—(×)

c.聚合度为n(√)；

d.有固定的熔沸点(×)；

e.在一定条件下能发生加成反应(×)

f.在一定条件下能发生水解反应(√)；

g.聚丙烯酸酯具有很强的吸水性(×)

化学课标要求：知道有机化合物分子是有空间的，以甲烷、乙烯等为例认识碳原子的成键特点，以乙烯、乙醇等为例认识官能团；结合典型实例认识官能团与性质的关系，知道加成、聚合等有机反应类型，知道在一定条件下可以转化[1]．通过聚丙烯酸酯结构分析，它由CH2=CH-COOR经加成聚合反应生成，属于高分子化合物，而高分子化合物均属于混合物，没有固定的熔、沸点；由于聚丙烯酸酯结构中没有碳-碳双键，所以不能发生加成反应，分子式不含亲水基，故无吸水性；由于有脂的结构，因此可发生水解反应．判断命题侧重对学生能力的培养和方法的考查，准确判断官能团，依据相应官能团结构和性质，灵活运用，有利于培养学生的知识迁移和逻辑推理能力．

(2)投影盒几何分析

图4 投影盒立体图分析

图5 Z形支架

已知等腰△ABE边长AB为b，在求顶角的过程中，培养学生演绎推理能力和空间想象能力，推导演绎如下：

1)在直角△EFO中，因为∠EFO=45°，故OE=

图6 投影盒侧面展开图

(3)投影盒成像原理分析

投影盒尖端正对屏幕中心，四分屏的视频经投影盒各侧面反射出去(图7)，当观察者在不同侧面观察时，反射的是不同位置的图像，观察者看见的是悬置于投影盒正中的虚像，故产生“3D”的错觉．

图7 成像原理示意图

2.3 成果导向

材料：手机或平板，尺规，量角器，计算器，小刀，胶带，透明塑料板，四分屏视频等．

教师选取材料较薄和较厚的学生作品展示同一素材，分析成像差异，潜在地引入“厚度”要素，为重影分析做铺垫，图8～11是某学生制作主要环节及效果呈现．

图8 裁剪的投影盒侧面

图9 粘贴投影盒

图10 选择的视频素材

图11 学生实验效果

2.4 次生问题(重影)探究

教师提问：是否观察到重影现象？引导学生有目的地观察和实验，学生感知手机原视频与成像清晰度的差异，发现“新”物理现象——重影.将重影作为新的研究起点，引导次生问题的生成，推动学生思维进入新阶段．学生假设的影响因素通常有以下几个：表面粗糙度、板材厚度、板材透明度等．

学生甲用游标卡尺测量不同学生产品厚度，发现材料越厚，重影现象越明显，认为一束光经过材料上表面时(图12)，一部分光经上表面反射，另一部分光线从空气进入材料内部发生折射，经下表面反射，再次进入空气发生折射，于是形成了两束光线，因此，观察到“重影”现象．

图12 重影原理分析

2.5 产品优化及衍生问题

鉴于对“3D全息投影”原理和重影影响因素综合分析，学生认为投影盒应选透明度好、厚度薄的化学材料制作．乙学生提出：平板放在最下面，投影盒尖顶去掉，变成四棱台，将其倒放在屏幕上，则不需要Z形支架(图13)．听了乙学生的观点，丙学生提出将其扣在屏幕上(图14)，验证发现二者方案均可投影，但投影上下左右恰好相反(图15和16)．

图13 乙优化方案

图14 乙优化后的效果

图15 丙建议方案

图16 丙建议后的效果

经学生探讨交流，该组学生认为，因视频图像是中心对称图形(图10)，倒置投影盒时，正面亚克力板外表面反射光线(图17)，正置投影盒时，对面亚克力板内表面反射光线(图18)，因此成像上下和左右刚好相反．产品优化后的新现象又成为科学思维训练的起点和载体，前后问题的连续性和相关性有助于学生对几何光学精准的理解、应用及知识组块的形成．

图17 倒置投影盒的光路图

图18 正置投影盒的光路图

3 STEAM学习质量评价

STEAM教学是否达到了预期教学目标，需建立STEAM学习质量评价指标作为教学判断标准，以基于深度学习的中学STEAM学习质量评价体系为基础[2]，以该评价体系为基础，结合本项目内容，将评价指标具体解构，如表2所示.

表2 “伪3D全息投影”学生实验学习质量评价标准

续表2

4 教学启示

4.1 以STEAM课程理念为蓝本审视物理课程实施过程

STEAM课程理念强调综合性知识、探究性过程及真实情景等往往需要花费时间，与家长、学生及领导对“高效”“高分”的功利追求相悖，让中学物理教学退变成物理习题训练，导致对STEAM教学理念的轻视和不顾，妨碍了STEAM课程理念的贯彻和落实． 由于师范教育没有STEAM对应的专业，即便是科学教育类的综合性专业也较少，目前不管从师资培养方案、课程设置、评价制度和教育现状，都对STEAM课程发展不利，教师应克服课改的主观或客观的阻力，结合STEAM教育理念，审视教学设计、实施过程等各环节，积极落实STEAM教育理念和内容，转变当前传统分科教育模式．

4.2 STEAM理念与课改理念一致是中学生核心素养的实施路径之一

2015年教育部《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)》明确提出，有效利用信息技术推进“众创空间”，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式[3]．STEAM课程是典型的融合课程，其多元化、跨学科、重实践等课程内容和理念与新课程改革倡导的中学生核心素养的理念一致，它为物理学科核心素养的落实提供一个具体、可行的实施路径，丰富了以核心素养为导向的教学策略和方法．

4.3 STEAM教育探索有利于科技创新人才的培养和本土化方案的生成

STEAM课程是在90年代后美国学生对科学兴趣下降、理工科专业遇冷的背景下，作为美国国家战略发展政策而提出，继美国之后，英国、德国、芬兰等都从国家人才战略层面制定了STEM教育发展政策[4]，在当前没有系统的STEAM国家课程和专业STEAM师资的条件下，结合本地特色资源积极开发学习化项目，推动STEAM课程本土化，主动承担起为国家培养科技创新型人才的任务，积极探索符合中国国情的STEAM教学模式，为STEAM教育贡献行之有效的教学方案．