STEAM项目式学习视域下虹吸教具的创新与实践*

陈海深，谢雪云，何卓文，吴思清，史镜毓，杨 倩

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

1 引言

STEAM是科学（S）、技术（T）、工程（E）、艺术（A）和数学（M）五个英文单词的首字母的缩写，它包含运用这几门学科的相关能力、把学习到的片段化的知识转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力.STEAM教育是一场国家终身学习活动；是跨学科、跨学段的连贯课程群；STEAM教育是面向所有学生的培养综合素质的载体；是全社会共同参与的教育创新实践。”[1]2017年《义务教育小学科学课程标准》倡导跨学科学习方式（STEAM教育）.教具是教师和学生为了改进教学方法,就地取材,创造性地构思而创作出来的实验,并且已经成为物理实验教学的一部分,在培养学生实验操作能力和创新能力等方面具有很好的促进作用。[2]《义务教育物理课程标准（2011 年版）》也指出，“物理课程注重实验，物理教师注重让学生经历教具探究过程，提高学生解决问题的能力”。[3]STEAM项目式学习视域下物理教具开发就是要关注学生的实践体验和探究过程，强调解决真实问题，倡导“做”中“学”，聚焦创新与创造力培养，注重知识的跨学科迁移及其与学习者之间的关联。[4]例如，我国台湾学者赖恩莹等利用乐高作为模组教具培养学生有关齿轮、力矩等工程概念.学生通过搭建乐高组件测试相关原理，不仅可以了解物理概念与知识，还在工程设计体验中感受到这些知识的重要作用，将抽象的知识与实际生活连接起来，能够很好地体现STEAM教育的体验性特征。[5]

物理教具中融合STEAM项目式学习理念还可以有效促进物理课程资源的开发.学生通过操作热弯器、台钻、3D打印等工具和综合运用编程软件、建模软件、电路设计等现代技术，可以大大激发他们进行实验教具创制的兴趣,有效地满足有创新想法并且爱好动手的学生的需求，引导学生从物理课程资源消费者转变为课程资源的创造者。[6]如下以虹吸实验的原理探究及教学反思，并结合STEAM教育开展“系列版本”虹吸教具的创新与实践。

2 虹吸现象的古今应用及基本原理

我国古代很早就知道利用空气进行虹吸管吸水.清人所编的《古今图书集成·历法典》卷九九《漏刻部》中载有吕才漏刻图,这也是迄今出现最早的虹吸图画。[7]宋代苏轼（1037～1101）在《东坡志林》卷四的《筒井用水翰法》中描述到卿筒：“自庆历、皇佑以来，蜀始创‘筒井’，用圆刃凿如碗大，深者数十丈，以巨竹去节，牡牡相衔为井，以隔横入淡水，则咸泉自上.又以竹之差小者出入井中为桶，无底而窍其上，悬熟皮数寸，出入水中，气自呼吸而启闭之，一筒致水数斗。”[8]古代灌溉和取水所用的渴乌和现如今使用的抽水马桶，这些都是虹吸实验原理在日常生产、生活中的应用。

虹吸(siphon)是一种流体力学现象，无须借助抽水泵就能实现液体的抽吸而流动.借助一根倒U形管，当处于较高位置的液体充满U形管的一端（称为虹吸管）后，倒U形管两端的液体产生压强差，在压强差的作用下推动一侧的液体流过倒U形管的最高点，并向倒U形管另一侧更低端口流动。

要能够产生虹吸现象，弯管水流的出水端必须比进水端低.设进水端的水平面为A，出水端的水平面为B，向上作用在两个水平面上的大气压值都是P0，但右管内在A面以下还有一段长h的水柱，所以，在右管中与A同一面上的压强为P=P0+ρhg（P0为大气压强，h为水面A处进水端到B处出水端的高度差，引起管中水柱向右管流动，P为水面A处的压强），最终由B端流出（如上图1）。由此可知虹吸现象是由于连通器两端液面的高度差产生的压强差，从而导致液体流动，其实质是因为液体压强和大气压强共同作用而产生液体流动的效果。

图1 虹吸现象

3 虹吸教具的教学反思

华东师范大学版《初中科学》八年级上册第二章的第三节《大气压强》中设有虹吸现象专题，并以自制九龙杯为例进行虹吸现象的实验演示与原理介绍.虽然九龙杯制作简易、成本低廉，但学生对虹吸现象的理解更多的停留在激发兴趣阶段和魔法表演层面，无法进一步对虹吸实验现象的发生条件和演示效果进行充分的探究.对于初中生而言，如何通过教具的操作体验和实践探究，并在抽象思维层面理解虹吸现象的产生条件，最终建立相应的“压强差”模型仍是一个较大挑战。

为帮助学生更好地理解“虹吸现象”的基本原理，进一步深入探究“虹吸现象”产生的条件和改进实验的演示效果，引发更多的探究问题和创意设计，并将老师“介绍”与“演示”的被动学习方式转变成学生主动的“思考”与“探究”，在“实验的可视化、操作的自动化、装置的美观化”等方面进行如下“系列版本”的改进。

4 1.0版本“虹吸”教具

如下图2 所示为最简易的“虹吸”教具，它具有废旧利用、制作简单、现象明显、可重复演示等特点。而图3 所示为1.0 版多层多级“虹吸实验”演示教具，是图1 的“升级版”，它能够使“虹吸实验”演示时间更持久、效果更明显。其装置均由废旧的矿泉水瓶和吸管等制作而成。

图2 最简易的“虹吸”教具

图3 1.0 版多层多级“虹吸实验”演示教具

5 2.0版本“虹吸”教具

如下图4 所示，该教具主要由几块有机玻璃板拼接而成的密闭透明硬质水箱两个（T1、T2）、两根较好弹性和高强度的透明PU 管、水箱支架、自吸水泵及配件组成，其中T1、T2 在顶部均开一小孔。该教具可以直观的演示虹吸现象的原理，探究虹吸现象产生的条件和虹吸现象发生的临界条件及其相关影响因素.下面结合具体操作方法进行分析说明。

图4 教具示意图

5.1 实验材料

有机玻璃板（厚度为5mm）、黑色气动手阀开关BUC-12、PU 管（管径为12mm）12*8mm*10 米、PU管直通12mm、PE 三通管12mm、三氯甲烷溶液*150ml。

5.2 实验工具

HM-J1310 金属非金属激光切割机、365-5V 自吸水泵、有机玻璃胶水。

5.3 创新设计

2.0版装置由透明的亚克力板制作而成，包括容器中引导水流的PU 管都使用透明材质，在视觉上增强“可视化”效果和“美观化”程度；此外通过安装自吸水泵实现从原先的手动开关变为自动控制，在解决手工操作的同时也避免演示过程需要反复装水的麻烦，使水的循环自动化，可以持续稳定的展示虹吸现象和反复进行实验演示。

5.4 科学探究

（1）打开抽水机往高、低水箱内注水.观察到低处水箱中液面高过PU 管顶部时，停止进水.（开关②、③ 闭合，开关④、⑤ 打开）。此时虹吸现象发生，低处水箱的水通过PU 管进入到高水箱中，通过管口F 流出（如图5）。

图5 虹吸现象

（2）打开开关③，闭合开关⑤；观察左边水流情况。虹吸现象继续发生，

此时低处水箱的水通过PU 管进入到高处水箱中，通过管口G 流出，管口H、F

均不出水。

（3）打开开关②，闭合开关④；观察左边水流情况；虹吸现象停止，此时低处水箱的水无法通过PU 管进入到高处水箱中，管口H、G、F 均不产生水的流动。

在高、低水箱上设有两个小孔，堵住其中任一小孔，原本产生的虹吸现象会因为被压水箱中有限的大气压强而被迫停止.当松开小孔后，原本暂停的虹吸现象又会再次发生。

6 3.0 版本“虹吸”教具

3.0版虹吸教具（下图6）在2.0 版基础上加入了数字化硬件模块（下图7），3.0 版虹吸教具在可探究性（Science）、技术含量（technology）、工程设计（Engineering）、教具美观度（Art）以及数字化硬件（Mathmatic）等方面较好的融入STEAM.在原来2.0 版“实验的可视化、操作的自动化、装置的美观化”基础上，在“探究的变量化、设计的工程化、技术的数字化”等方面继续进行创新与改进。

图6 3.0 版虹吸教具

图7 数字化硬件模块

在3.0 版的设计中充分考虑虹吸现象产生条件和临界条件及其相关影响因素，提供尽可能的变量操作，以便能深入开展虹吸现象的科学探究与实践体验，有利于学生掌握虹吸实验的科学原理。还能培养学生掌握基本工具的使用，熟悉工程设计的流程，运用现代编程软件、平面加工软件、三维建模软件、电路设计软件等新技术进行创新设计。

6.1 实验材料

Arduino UNO 板*1、HC-SR04 超声波测距模块*1、LCD 屏(1602 5V)*2、KEYES 水位传感器*1、继电器*1、365-8V 水泵*1、9V 锂电池*1、LED 灯(3.3V～ 5V)*1、亚克力板若干、亚克力板胶*1、导线若干、激光笔、PU 管（内径5mm）

6.2 实验工具

米思齐编程软件、Artcam 平面加工软件、Sketchup 三维建模软件、Frizting 电路设计软件。

6.3 创新设计

3.0版虹吸装置通过PU 管设置两个有高、低落差的水箱，使水流从高处引流至低处，以满足虹吸现象的基本条件，并在高位水箱侧面设计一个上、下滑轨结构（如图8），以改变入水口和出水口的高度差而影响水流的速度，学生可以尝试在不同的条件下体验变量改变产生的实验效果。同时在水平方向增加水平刻度尺（如图9），用以测量水流从入水口流出后的水平距离，并结合出水口的高度值，依据平抛运动的规律还可以定量估算水的流速。为学生创造一个可计算、可预估的真实情境，促进不同知识之间的横向迁移。

图8 上、下滑轨结构

图9 在水平方向增加水平刻度尺

3.0版虹吸装置还加入了LCD 屏（如图10），可以实时显示超声波传感所测量入水口和出水口的高度差，并根据采集的数据在LCD 屏上实时显示水的流速大小，并可以直接进行数据整理和分析；同时在LCD 屏旁，加入一个展示距离大小的LED 灯，当高度差越小时，LED 灯闪烁的频率越大，反之。此外，

图10 LCD 屏

利用激光在水中的全反射现象，采用固定激光笔作为光源，以光路“照亮”水路，使新装置能够利用光的全反射现象更清晰的展示水的流向。

此外，3.0 虹吸装置采用现代电子软件技术，自动化程度更高.在低水箱处利用水位传感器（如图11）采集水位信息，反馈给电路主板。当水位低于20（模拟值）时，启动水泵进行自动抽水；当水位高于600（模拟值）时，自动关闭水泵停止抽水。

图11 水位传感器

6.4 科学探究

3.0版虹吸装置在演示实验现象时，能引发学生主动思考与探究：为什么出水口的高度不一样，水流速度不一样，落水点所在位置也不一样？为什么激光可以顺着水流拐弯呢？在进行实验观察时，学生往往被这些有意思的现象所吸引，在实验探究中，还可以促进平抛运动的理解和全反射条件的思考，更深入开展虹吸现象的创新思考。

7 结语

物理演示实验在物理教学中有着举足轻重的作用，针对教具、思想、方式、操作的不断改进或创新，是一项伟大的工程。[9]STEAM 项目式学习不是要把科学、技术、工程和数学的核心知识简单叠加，而是要在更深的层次上把握跨学科之间的融合，注重编程、建模等现代软件技术的应用，并引导学生运用多种材料和不同技术方法解决实际问题，从而真正实质性的提高他们的创新能力和科学素养。