基于STEAM理念的物理家庭创新实验的研究

【摘要】开展基于STEAM理念的初中物理家庭创新实验，可以培养学生的动手能力和自主学习能力，在一定程度上摆脱课堂实验的局限性，为学生理解并创新实验奠定基础。遵循实验基础原理，从生活化的角度开展和应用实验项目，对于学生认识自然、理解科学有积极的促进作用。

【关键词】初中物理；物理家庭创新实验；STEAM理念

作者简介：吴晓勋（1981—），女，江苏省南通市通州区育才中学。

STEAM是科学、技术、工程、艺术和数学的英文单词首字母的缩写。在初中物理教学中运用STEAM理念，旨在打破物理学科壁垒，让学生对学科进行综合学习，培养学生的逻辑推理能力、实际应用能力和综合拓展能力。在当前的大环境下，将物理实验家庭化成为物理课程教学的必然要求。初中物理的大多数实验属于验证性的实验，所以教师应积极开展必要的创新实验，以提升学生的创新能力。针对物理家庭创新实验提出问题引领、学科整合和项目学习的方法，能够实现优化思维品质、拓展认知空间和完成知识建构的目的。

一、问题引领，优化思维品质

问题引领式教学法是教师在上课过程中引导学生思考、推进实验过程的常用方法之一。教师应当结合课程进度和学生的实际操作过程设计问题，让学生在体验中进行自主探究，解决生活中的实际问题，做到学以致用，同时将物理知识以艺术化的形式呈现，培养学生的审美意识，优化学生的思维品质。

（一）体现体验性，引导自主探究

物理家庭创新实验应该以家庭常用材料为基础。在实际的生活中开展物理实验研究，能够体会到物理知识的内涵，获得生活体验。

例如，学生通过学习“压强”一课，需要理解压强是表示压力作用效果的物理量，当压力一定时，受力面积越小，压力的作用效果越明显。笔者班上的一些学生虽然能理解F（压力）=p（压强）×S（受力面积）中的正比和反比关系，但对压力的实际作用效果的认知仍然比较模糊。对此，笔者要求学生回家后找出一根削好的较短的铅笔，将铅笔的头部对着食指，将铅笔的尾部对着拇指，两根手指同时用力，感受手指受到的壓力。在下一节课上，学生说他们觉得食指的不适感比拇指的不适感强，如果继续用力，食指可能会被戳伤。通过实验，学生进一步理解了F、p和S之间的关系。之后，笔者问道：“大家知道在生活中还有哪些类似的实例吗？”学生举出将螺丝钉进墙内、用菜刀切菜等实例。之后，在笔者的引导下，学生能很快知道，长辈常说刀钝了需要磨刀，就是为了减小受力面积，增大压强。

将课本上的物理实验转化成学生自主进行的家庭物理创新实验，通过问题引导的方式，给学生充足的思考空间，可以帮助学生直观体会到物理对于生活的实际意义和用途，引导学生进行探究。

（二）体现综合性，强化学以致用

物理实验的目的是做到学以致用。借助生活化的物理实验，能让学生明白物理知识并不是抽象的，而是在我们身边真实存在的［1］。物理知识的生活化应用，不应该是单纯的知识讲解，而应该是综合性的实验开展，借助问题进行引导，帮助学生构建知识体系。

比如，在学完“光的折射”和“浮力”的内容后，学生需要使用家里的一个空碗，往碗里装满水，开展的第一个实验是放入一根筷子或者一个勺子，同时要注意筷子或勺子只有一部分浸入水中，开展的第二个实验是将一张废纸撕成指甲盖大小，放入水中，然后记录观察到的实验现象。在下一节课上，学生说在第一个实验中，发现筷子、勺子出现了弯曲的视觉效果，在第二个实验中，纸片一开始漂浮在水面上，静置一段时间后开始下沉。之后，学生通过实际操作，认识到：浮力的存在使得纸片漂浮于水面，而纸片被水浸透后会在重力的作用下往下沉；根据眼睛看到的纸片的位置用勺子打捞是无法打捞到纸片的，这是因为光的折射作用，纸片实际的位置和视觉上的位置不同。有的学生还在课后以上述实验为契机，研究了纸片位置偏移的方向，经过多次尝试后顺利地打捞出了纸片。

开展综合性、生活化的物理实验，既满足了学生的探索需求，打开了学生的新视野，也有助于学生全面理解知识，实际应用知识。

（三）体现艺术性，培养审美意识

有的人认为物理实验缺乏美感，实际上，真实的物理实验不仅仅是科学的，也具有艺术色彩。所以在实际的实验过程中，教师应当结合实验内容和过程，融入美学内容，培养学生的审美意识。

例如，通过学习“光的色散”一课，学生知道了夏季雷雨后如果出现太阳，有时会形成一道七色彩虹，这是因为此时天空中还未落下的水滴形成了一个个三棱镜，将太阳光进行了分解。笔者便问学生：“在实验室中，可以借助专业的三棱镜分解出七彩的阳光。那么在家里应该如何开展该实验？”学生想到必须要保证天气晴朗，阳光充足，为了呈现分解出的阳光，可以使用幕布。笔者继续提问：“如果直接使阳光通过三棱镜，呈现出的阳光看起来是比较分散的，那么可以怎么处理呢？”有的学生提出凸透镜有聚光作用，可以在三棱镜前面放置凸透镜。可见，采用问题引领的方式，能够帮助学生正确认识三棱镜和凸透镜。当在实验中看到最终呈现出的七彩阳光时，学生会深刻感受到物理知识的奥秘，也会愿意继续探索美丽的自然界。

物理具有独特的美。当学习不再只有单纯的实验而变成以美为基调的探索时，学生才能真正感悟物理学科的意义。

二、学科整合，拓展认知空间

为了合理构建学生的认知结构，教师可以利用不同的教学资源，采用学科整合的方式开展物理实验教学活动，结合学生已有的知识奠定实验理论基础，开发富有特色的物理家庭创新实验课程，这样既体现了实验课程的生活性，也能拓展学生的认知空间［2］。

（一）整合实验素材，寻求整体思路

物理实验的探索需要借助不同的学科，整合实验素材，不断丰富理论知识，改变传统的实验思维，从整体的角度分析实验现象、原理，从而达到训练学生思维能力的目的。

例如，在水果电池实验中，学生需要将两个金属片（它们要具有不同的化学性质）和水果（呈酸性）相连，以点亮一盏小的LED灯，并根据实验内容分析原理。这个实验是物理发电的过程，也是化学置换反应的过程，所以在原理分析中，不能单纯地以物理学科的电路原理为基础。如有的学生指出，两种不同的金属中必然有一种化学性质活泼的金属，该金属置换出了水果中的氢离子，使得整个电路产生了正电荷，电荷进行了移动，从而让LED灯发光。

学科整合后的物理家庭创新实验，需要寻求整体思路，进行实验现象分析，这也对学生提出了较高的实验思维要求。

（二）整合实验形式，调动内驱力

物理实验的形式多种多样，学科整合后的物理实验更具独特的色彩。采用多种家庭化的物理实验形式，可以调动学生的内驱力，让学生进行积极探索，拓展学生的认知空间。

例如，在学生学完“功和机械能”和“简单机械”的章节内容后，笔者引入实验内容：“想必大家小时候都玩过跷跷板，通过这两章的学习，大家应该知道跷跷板两侧的臂长相同，是等臂杠杆。理论上来说，体重相同的两名学生同时坐上跷跷板，跷跷板应该会一直保持水平的状态，但为什么跷跷板在实际中会不平衡呢？”笔者让学生先在课下进行实验，然后在下一节课上结合信息技术学科的内容进行模拟仿真，假设跷跷板是不受外力且保持平衡的，将跷跷板的每一侧及坐在上面的学生作为整体（设左侧为A部分，右侧为B部分），并进行动画演示，让学生明白：在保持跷跷板臂长相同的条件下，两名学生的体重多多少少都会存在差异，这会导致力矩不平衡；两名学生坐上跷跷板的过程会发生动能和势能之间的间接转化，导致初始动能不同；在两名学生保持静止状态的条件下，跷跷板也会因为重力势能的微差而受力不平衡。

进行物理家庭创新实验研究，可以整合实际和虚拟实验两种形式，将抽象复杂的物理受力分析转化为形象生动的动作讲解，带给学生丰富的视觉体验。这样既帮助学生理解了实验原理，也激发了学生学习仿真知识的兴趣。

（三）整合实验内容，丰富知识结构

绝大部分物理实验是学生可以直接操作的。而学科整合后的物理实验内容，不仅丰富了实验内涵，也能在一定程度上帮助学生掌握生活常识，丰富知识结构。

例如，笔者班上的很多学生都在家里看过父母做面食。他们通常会先将酵母和水加入面粉中揉搓，将面团揉搓片刻后放置于盆中，并盖上一块湿布，以防止面团表面变干。过了一段时间后，面团会变得柔软，也能很轻松地揉搓。對于这一现象，笔者告诉学生：“这是因为酵母在发酵过程中产生的二氧化碳，使得面团中形成气孔，并且产生的水也改变了面团的内部结构。”同时，笔者鼓励学生回家后试着用上述方法进行揉搓面团的实验。

丰富物理家庭创新实验的内容，可以让学生在学习物理知识的过程中积累其他知识，也有利于学生明白做人做事的道理。

三、项目学习，完成知识建构

项目学习是一种比较新颖的学习方式，要求学生自主学习和探究，制作相关作品，完成知识的建构。在物理家庭创新实验学习中借助项目学习理念和方法，可以激发学生比拼的欲望，促使学生快速完成相关实验任务。

（一）创设情境，设计真实任务

基于情境创设的项目学习，需要通过恰当的情境提出问题，设计真实任务，活跃实验气氛，激发学生求知欲，培养学生的创新意识。

例如，在教学完“密度与社会生活”一课后，笔者为学生布置了任务，并创设了相应的情境：“大家知道密度是物体的固有属性，请你们找出家里的某件饰品，策划一个实验方案，计算出该饰品的密度。”在开展任务前，学生要知道为了求密度，需要测出饰品的质量和体积，再借助ρ=m/V计算得到饰品的密度。为了测量饰品的质量和体积，有的学生想到可以借助小区小卖铺里的电子秤，运用m=G/g计算得到饰品的质量，再将饰品放置于装有水的标有刻度的透明杯子中，观察水面上升的高度，算出饰品的体积。在得到饰品的密度后，有的学生还将计算的结果和饰品标签上注明的密度进行了比较，以辨别饰品的真伪。

通过真实任务进行物理家庭创新实验，能够让学生在开展任务的过程中理解物理知识，进行动手操作，激发创新思维。

（二）立体感知，制作实用物品

利用物理知识制作实用物品，可以形成对所学内容的立体感知，也体现了物理学科的实用性。学生在生活中实际运用物理知识，才能真正体会到物理对于生活的意义。开展基于物品制作的项目学习，能在一定程度上帮助学生构建完整的物理知识体系。

例如，在学生学完“声现象”一章后，笔者要求学生制作一部土电话。学生需要明确土电话的原理，制作土电话时，在两个纸杯底部均用小刀戳一个很小的洞，将一根较长的棉线穿过纸杯底部的洞，绑在小木棍上，注意使小木棍的长度小于纸杯底面的直径。在使用土电话时，学生可以将其中一个纸杯放在自己家，将另一个纸杯通过窗户投给邻居，关上窗户。这时，学生虽然无法隔着窗户清楚听到邻居的声音，但可以通过土电话听到。有的学生做完实验后带着“用一根棉线便可以传播声音，那么可以将上述实验中的纸杯换成塑料瓶或塑料袋吗？”的问题进行了更深入的探究。

通过物理家庭创新实验制作实用物品，可以提高学生的动手能力，初步培养学生的科学思维和创新能力。

（三）动态管理，提升核心素养

物理实验课程的学习应该进行动态管理、阶段性的总结，从而提升学科核心素养。教师要明确实践的必要性，按照学生的认知规律开展实验课程的教学。

例如，在学生学习“功和机械能”一章时，笔者引入实验内容：“骑自行车是我们的化学能转化为自行车的机械能的过程，要想让自行车行驶得比较快，就需要我们提供足够的化学能，同时也需要减小自行车所受的阻力。那么自行车所受的阻力有哪些？”学生认为有地面的摩擦力、空气阻力、自行车内部的阻力。学生在课下进行实验后，也会发现之所以在骑自行车下坡时感觉自行车的速度越来越快，是因为人和自行车的重力势能转化为了自行车的动能。这样，笔者既帮助学生复习了重力和摩擦力的知识，学习了动能、势能和机械能的知识，也进行了实验知识的动态管理，提升了学生的物理核心素养。

项目学习中的动态管理意义在于帮助学生理解知识内涵，建立科学的知识体系，并且拓展教学时空。

结语

综上所述，开展基于STEAM理念的物理家庭创新实验，实现物理知识的生活化应用，能够激发学生的主观能动性和学习兴趣，以学生为中心，以家庭材料为基础，开发新颖的实验课程，为每个学生提供充足的实践机会，为他们思维的创新发展奠定基础，同时也能提升物理实验教学效果。

【参考文献】

［1］谢旭，刘立华.基于STEAM教育理念下的中学物理教学实践探究［J］.智力，2021（35）：139-141.

［2］郝坤. STEAM教育理念融入初中物理教学的实践［J］.新课程教学（电子版），2021（14）：46-47.