如何在高中物理课堂融入STEAM教育

摘 要：STEAM教育是一种融合科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育.其在拓展学生视野，锻炼学生综合能力上有着显著作用，因此，STEAM教育近年来受到人们的广泛关注.物理是高中阶段的重要课程之一，如何在高中物理课堂中融入STEAM教育，激发出物理课堂的活力，进一步提高物理教学效率，增强学生学以致用的能力，是一线教师广泛讨论的问题.本文结合自身教学实践，探讨STEAM教育的融入策略，以供参考.

关键词：高中物理；STEAM教育；教学策略

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2023）21-0062-03

收稿日期：2023-04-25

作者简介：林德棋（1982.11-），男，福建省莆田人，本科，中学一级教师，从事高中物理教学研究.

物理知识在很多领域有着广泛的应用，其中在科学、技术、工程、艺术以及数学中都能看到物理知识的身影.高中物理教学中，为提高学生运用物理知识解决问题的综合能力，教师应认识到开展STEAM教育的必要性，结合高中物理学科特点以及具体教学内容做好融入活动研究，将STEAM教育融入到教学活动的各个环节中，保证教学质量的同时，给学生带来潜移默化的影响，更好地拓展学生视野，锻炼学生能力.

1 融入新课导入环节

新课导入是高中物理教学活动展开的重要环节.高中物理教学实践中，教师应将STEAM教育融入到新课导入环节，为展开一堂精彩纷呈的物理课奠定基础.“科学”是STEAM教育的重要组成部分.物理学科本身具备“科学”属性，因此，物理知識教学是STEAM教育的具体体现［1］.认识到这一点，教师可做好教学前各项准备，认真收集与科学相关的素材，包括各种图片、科普视频等，在新课导入环节进行展示、播放，激发学生的学习兴趣，自然地引入新课［2］.

天舟系列货运飞船，主要为中国空间站在轨运行期间提供补给支持.2022年5月10日，天舟四号货运飞船成功发射.若知道天舟四号距离地面高度h，地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，引力常量为G.将地球看做质量均匀的球体，便可计算出地球的质量M以及天舟四号的运动周期T.你会计算吗？如此设置悬念，能很好地吸引学生，驱使其积极地投入到“万有引力定律及航天”新知识学习中.待学生完成万有引力知识学习后，便不难计算新课导入时提出的问题.物体在地球表面受到的重力由万有引力产生，设物体的质量为m0，则有：GMm0R2=m0g，则M=gR2G；天舟四号围绕地球的运动可看做匀速圆周运动，向心力有万由引力提供，即，GMm（R+h）2=m4π2T2（R+h），由M=gR2G，可得T=2π（R+h）RR+hg.

高中物理新课导入环节，教师展示科学素材，设置悬念，不仅能引发学生好奇心，激发学生学习新知识的欲望，而且可使学生认识到物理知识是科学学科的重要构成部分，为物理知识的讲解奠定坚实基础.

2 融入知识讲解环节

知识讲解是高中物理教学活动的重要构成部分，是学生获取物理知识的关键环节.“工程”学科知识在STEAM教育中占有重要地位，而且其与物理知识有交叉.在物理知识讲解环节融入STEAM教育，不仅有助于学生理解、掌握物理知识，而且可给学生带来深远影响［3］.

教学实践中，为加深学生印象，教师可引导学生正确、灵活运用物理知识分析一些工程的问题.在教师讲解“圆周运动”知识时，可使用多媒体技术为学生播放铁路工程建设视频.在视频中为学生介绍列车的拐弯原理，使学生清晰地看到列车拐弯时车轮的受力情况，明确列车拐弯时的向心力有谁提供.同时，为使学生深入理解，灵活应用，教师可在屏幕上展示以下问题：铁路工程建设中，一转弯处对应的圆弧半径为500 m，设计列车经过该转弯处的速度为72 km/h.若列车车头的质量为2×104kg，要求其在经过转弯处时，铁轨对车轮没有侧向弹力，则路基倾角的正切值为多大？列车车头转弯可近似看成圆周运动.

该问题以铁路工程为背景，检验学生对圆周运动规律的理解以及应用的灵活性.课堂教学时，教师可对上述过程进行简化，对车轮进行受力分析，如图1所示.其中路轨的弹力和列车车头重力的合力提供向心力.设路基的倾角为θ，则tanθ=F合G，F合=mv2R，G=mg，联立解得tanθ=0.08.而后提问学生：铁轨对车轮没有侧向弹力有什么现实的意义？驱使学生从工程使用寿命角度继续思考.最终学生讨论可知，如此进行设计，不仅有助于保障列车车头行驶安全，而且可延长拐弯处铁轨的使用寿命.

教师在课堂上依托具体工程进行物理知识通过讲解，丰富了课堂内容，增加了课堂教学趣味.尤其通过剖析工程中应用物理知识的案例，有效渗透STEAM教育的同时，达到预期的教学目标.

3 融入例题讲解环节

在例题讲解环节融入STEAM教育，可给学生以后进行工程设计带来良好启发.一方面，高中物理例题非常多，教师应结合自身经验以及STEAM教育内容，做好例题筛选，确保讲解的例题针对性强，STEAM教育目标明确；另一方面，授课活动中，教师应给学生留足表现机会，多给予启发、互动，营造良好课堂氛围的同时，引导学生主动思考，使其手脑并用，及时找到解题的切入点［4］.

“平抛运动”是高中物理中非常重要的运动类型.完成相关理论知识讲解后，教师可展示以下例题，要求学生分析、作答：当前人们对机器人研发充满兴趣，希望在以后的生活中能运用机器人替代人的工作.假设要求你设计一款投篮机器人.该机器人将篮球和水平方向成45°角抛出，刚好落入距离10 m远的篮筐中.其中篮球出手点和篮筐处在同一水平面上，忽略空气阻力，则篮球应以多大的速率抛出？

为使学生更好地找到该题的突破口，教师可要求学生思考以下问题，给予学生启发：（1）篮球做什么运动？（2）由篮球投出时的角度，可以得出水平和竖直速度之间有什么关系？（3）篮球出手点和篮筐处在同一水平面上，你能挖掘哪些隐含条件？（4）从该设计活动中你获得哪些启发？

学生从平抛运动知识学习中获得启发，认识到平抛运动中水平和竖直方向上的运动具有独立性，但两者之间又通过时间存在一定联系.篮球抛出后做斜抛运动，但其可用平抛运动规律进行分析.由篮球抛出时速度的角度可知，其竖直和水平方向上的速度大小相等.由篮球出手点和篮筐处在同一水平面上，可知篮球从出发点达到最高点与从最高点进入篮筐中的时间相等.设篮球水平和竖直方向的速率均为v0，抛出点到最高点的高度为h，出手点和篮筐的水平距离为x，篮球达到最高点的时间为t，则：h=12gt2，12x=v0t，v0=gt，解得v0=52 m/s，则篮球抛出时的速率v=v0cos45°=10 m/s.

高中物理例题讲解环节，将STEAM教育中的“技术”领域知识融入到例题情境中，可使学生认识到物理知识与技术知识的内在联系，驱使学生养成关注“技术”知识的习惯，培养运用物理技术知识开展设计活动的意识.

4 融入课堂训练环节

安培力相关计算是高中物理的重难点知识.完成该部分内容教学时，为更好地培养学生的计算能力，启发学生尝试着运用数学知识加以求解，课堂训练环节可为学生展示如下习题，要求学生分析作答：如图2所示，一根通有恒定电流I，长为L，质量为m的金属条向右运动.金属条始终处在匀强磁场中（方向如图所示，θ角已知）.金属条和导轨间的动摩擦因数为μ，且金属条以速度v做匀速运动.若磁场方向不确定，求金属条的最大加速度以及金属条运动位移为x的过程中安培力对金属条做的功.

金属条做匀速运动时，由平衡条件可得：F安sinθ=μ（mg-F安cosθ）.设磁场方向和水平夹角为α时，金属条的加速度最大，由牛顿第二定律可得：F安sinα-μ（mg-F安cosα）=ma，联立整理得到：a=μgsinθ+μcosθ（sinα+μcosα）-μg，由三角函数辅助角公式可得a=μgsinθ+μcosθ1+μ2sin（α+φ）-μg，其中cosφ=11+μ2，由三角函数知识可得当sin（α+φ）=1时，a有最大值μg1+μ2sinθ+μcosθ-μg.金属条运动位移x的过程中安培力做的功W=F安xcosφ=μmgx1+μ2（sinθ+μcosθ）（1+μ2）.

该课堂训练习题具有一定难度，解题主要运用受力分析以及数学知识.教师在课堂上要求学生解答該题，提高其安培力计算熟练程度的同时，启发学生在以后解答物理问题时注重数学知识的应用，很好地实现STEAM教育融入课堂训练的目标.

综上所述，当前STEAM教育受到人们的广泛关注.高中物理教师应认真分析在教学活动中融入STEAM教育的意义，把握STEAM教育设计的知识，做好高中物理教学活动的精心设计，实现STEAM教育与教学活动的有机融合，使学生牢固掌握物理知识的同时，接受STEAM教育的良好熏陶，养成学习、运用跨学科知识分析、解决问题的良好习惯.

参考文献：

［1］ 张滨，阮伟文.STEAM教育理念下的高中物理教学实践研究［J］.中学理科园地，2022，18（04）：4-7.

［2］ 孙煦晗.基于STEAM理念的中学教育实践研究：以高中物理“竖直上抛运动”为例［J］.理科考试研究，2022，29（05）：41-43.

［3］ 苏康慧，苏玉成.基于STEAM教育理念的高中物理课程设计［J］.中学课程资源，2021，17（09）：39-41，53.

［4］ 关蕾.基于STEAM教育理念下高中物理教学质量的提升策略研究［J］.高考，2021（25）：53-54.

［责任编辑：李 璟］