蘇虹 張偉

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

STEAM教育是集科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Arts)、數(shù)學(xué)(Mathematics)于一體的綜合教育，倡導(dǎo)多學(xué)科通過綜合課程相互融合，讓學(xué)生在真實(shí)的問題情境中，基于項(xiàng)目活動(dòng)，應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)解決問題。

我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的通用技術(shù)課程關(guān)注學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，以專題或項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式，促使學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作，由此掌握工具的使用技能，提升解決技術(shù)問題的能力。物理實(shí)驗(yàn)器具的制作是為開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)、改善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件而開展的活動(dòng)，通常關(guān)注的是動(dòng)手解決實(shí)驗(yàn)條件的不足，強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過制作活動(dòng)加深對(duì)相關(guān)物理知識(shí)的理解。

目前，我國(guó)中學(xué)開展STEAM教育活動(dòng)的形式多為校本課程或社團(tuán)活動(dòng)，通用技術(shù)是獨(dú)立開設(shè)的課程，二者與特定學(xué)科內(nèi)容有所關(guān)聯(lián)，但融合不夠。物理實(shí)驗(yàn)器具制作則專注于物理教學(xué)，對(duì)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)和運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問題能力的培養(yǎng)關(guān)注不足。

筆者基于指導(dǎo)中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)器具制作的實(shí)踐，認(rèn)為依據(jù)學(xué)生的物理基礎(chǔ)，恰當(dāng)選取制作項(xiàng)目，物理實(shí)驗(yàn)器具制作可同時(shí)成為通用技術(shù)課程實(shí)施以及STEAM教育的載體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的培育，并達(dá)成STEAM教育目標(biāo)。

1 物理實(shí)驗(yàn)器具制作活動(dòng)可培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)

20世紀(jì)80年代朱正元先生提出“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”的思想，對(duì)解決當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器匱乏的問題具有重要意義。隨著時(shí)代的發(fā)展及學(xué)校條件的改善，物理實(shí)驗(yàn)器具制作的工具、材料及其購(gòu)置途徑都發(fā)生了顯著變化，車床、3D打印，甚至數(shù)控雕刻等高端設(shè)備逐步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)制作室，通過收集生活廢棄物以及網(wǎng)絡(luò)購(gòu)買，又可以獲取過去很難得到的材料，這就為提升物理實(shí)驗(yàn)器具制作的技術(shù)水平、開展STEAM教育提供了良好條件。

1.1 通過制作活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)

在高中物理教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)器具制作除了關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身外，可以適當(dāng)關(guān)注材料與制作技術(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

比如，學(xué)生在仿制摩擦起電機(jī)時(shí)，依據(jù)靜電原理設(shè)計(jì)制作方案后，選用什么材料以及如何制作才能使起電效果最佳就成為關(guān)鍵。學(xué)生用纖維毛領(lǐng)替代羊毛皮作為摩擦起電機(jī)起電裝置主材料，并與摩擦靜電起電機(jī)原型進(jìn)行對(duì)比(如圖1)，發(fā)現(xiàn)纖維毛領(lǐng)的毛質(zhì)更緊密、柔順，將其與洗潔精空瓶組合成起電裝置效果較好。學(xué)生參照摩擦起電機(jī)原型，組裝、變更、調(diào)整制作工藝，可制出性能良好的摩擦起電機(jī)(如圖2)。

圖1

圖2

1.2 通過制作活動(dòng)可提升學(xué)生的物化能力

物化能力是指采用一定工藝方法等，將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為有用物品，或?qū)σ延形锲愤M(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化的能力。

物理實(shí)驗(yàn)器具制作是綜合性強(qiáng)且較復(fù)雜的實(shí)踐活動(dòng)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件、制作材料及預(yù)期的實(shí)驗(yàn)功能等繪制設(shè)計(jì)圖，調(diào)整方案，優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)。例如，學(xué)生在摩擦起電機(jī)設(shè)計(jì)活動(dòng)中，完成初始設(shè)計(jì)，在了解制作材料性能、掌握一定工藝方法的基礎(chǔ)上優(yōu)化摩擦起電機(jī)設(shè)計(jì)圖(如圖3)。

圖3

學(xué)生應(yīng)用木工、金工工具因地制宜地開展實(shí)踐制作活動(dòng)，經(jīng)歷加工裝配流程，將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成物理實(shí)驗(yàn)器具，提升了學(xué)生的物化能力。

1.3 通過制作活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力

工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的統(tǒng)籌性思維。制作物理實(shí)驗(yàn)器具時(shí)學(xué)生經(jīng)過比較、選擇恰當(dāng)?shù)姆桨附鉀Q技術(shù)難題，提升了學(xué)生工程設(shè)計(jì)、選擇、判斷能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

例如，在范德格拉夫起電機(jī)制作項(xiàng)目中將易拉罐作為起電裝置，學(xué)生對(duì)是否保留易拉罐內(nèi)壁絕緣層展開了討論，在要素分析、整體規(guī)劃后設(shè)計(jì)制作方案。并開展探究活動(dòng)。學(xué)生設(shè)計(jì)了三種方案，分別制作相關(guān)裝置，與其他部件組裝成范德格拉夫起電機(jī)，并開展靜電實(shí)驗(yàn)探究：將易拉罐絕緣層打磨(如圖4)；在易拉罐內(nèi)、外壁粘貼鋁箔紙(如圖5)；保留易拉罐絕緣層(如圖6)。

圖4

圖5

圖6

學(xué)生通過系列探究比較活動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)：保留了絕緣層的易拉罐作為范德格拉夫起電機(jī)起電裝置起電效果最好。設(shè)計(jì)多種方案解決范德格拉夫起電機(jī)起電效率低的難題，學(xué)生在組裝、測(cè)試中解決工程技術(shù)問題，提升了學(xué)生工程思維能力。

2 物理實(shí)驗(yàn)器具制作是開展STEAM教育的有效途徑

物理實(shí)驗(yàn)器具制作活動(dòng)可以作為STEAM教育的載體，在通用技術(shù)課中開展。

2.1 物理實(shí)驗(yàn)器具制作可以促進(jìn)STEAM教育的項(xiàng)目化

物理器具制作活動(dòng)在滿足通用技術(shù)課程實(shí)踐項(xiàng)目要求的同時(shí)，促進(jìn)了STEAM教育項(xiàng)目化，以通用技術(shù)課倡導(dǎo)的“大工程、小項(xiàng)目”理念開展物理器具制作活動(dòng)，將制作工程細(xì)化為各個(gè)制作項(xiàng)目，可促進(jìn)STEAM教育項(xiàng)目化的實(shí)施。

例如，在通用技術(shù)課上制作范德格拉夫起電機(jī)時(shí)，學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了多個(gè)制作方案，將傳動(dòng)裝置劃分為制作項(xiàng)目，以便確定發(fā)電機(jī)傳動(dòng)裝置的規(guī)格。第一組用降速電機(jī)帶動(dòng)透明橡膠管，在橡膠管填充薄鋼管增強(qiáng)其塑性，作為傳送裝置。第二組用降速電機(jī)帶動(dòng)乳膠管，并在乳膠管填充中性筆筆芯增強(qiáng)傳送裝置的韌性，作為傳送裝置。第三組用降速電機(jī)帶動(dòng)橡膠筆桿作為傳動(dòng)裝置，在筆桿外纏繞橡皮筋，以增加其與絕緣膠帶的傳動(dòng)能力(如圖7)。通過選取適當(dāng)?shù)牟牧虾椭谱鞴ぞ?，將三組實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)制作成起電機(jī)裝置，通過測(cè)試、對(duì)比發(fā)現(xiàn)：第三組設(shè)計(jì)方案的聯(lián)動(dòng)性最好且傳動(dòng)效率最高。

圖7

以工程思維將物理器具制作活動(dòng)細(xì)化為幾個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目，應(yīng)用數(shù)學(xué)建模、分析等方法解決制作問題，可促進(jìn)STEAM教育的項(xiàng)目化和工程化。

2.2 物理實(shí)驗(yàn)器具制作為STEAM教育提供了最佳載體

借助通用技術(shù)課、以物理器具制作活動(dòng)為載體開展STEAM教育，不僅避免了課程資源的浪費(fèi)，還節(jié)省了學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

學(xué)生在通用技術(shù)課程中根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)器具制作要求，在物理教師指導(dǎo)下完成方案設(shè)計(jì)，熟練運(yùn)用制作工具，通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生實(shí)踐制作提供了設(shè)備支持，物理教師為學(xué)生提供了技術(shù)和理論指導(dǎo)，物理器具制作活動(dòng)滿足了學(xué)生的技術(shù)學(xué)習(xí)需求，為STEAM教育提供了良好途徑。

2.3 多學(xué)科實(shí)驗(yàn)器具制作活動(dòng)為開展STEAM教育提供思路

通用技術(shù)課與物理學(xué)科結(jié)合開展STEAM教育活動(dòng)，以物理實(shí)驗(yàn)器具制作作為實(shí)踐項(xiàng)目，為中學(xué)開展STEAM教育活動(dòng)提供思路，為通用技術(shù)課程與其他學(xué)科結(jié)合開展STEAM教育活動(dòng)提供參考。

例如，通用技術(shù)課與化學(xué)結(jié)合開展STEAM教育，以原子、分子結(jié)構(gòu)模型制作作為實(shí)踐項(xiàng)目，在模型制作活動(dòng)中加深學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解；與生物結(jié)合開展STEAM教育，以標(biāo)本制作作為實(shí)踐項(xiàng)目，在標(biāo)本制作中提升學(xué)生對(duì)動(dòng)、植物認(rèn)識(shí)；與數(shù)學(xué)結(jié)合開展STEAM教育，以幾何模型制作作為實(shí)踐項(xiàng)目，加深學(xué)生對(duì)幾何結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生空間感知能力。

通用技術(shù)課與學(xué)科實(shí)驗(yàn)器具制作結(jié)合開展STEAM教育活動(dòng)，經(jīng)過合理的課程設(shè)計(jì)，STEAM教育與通用技術(shù)課融合，并與理科課程結(jié)合開展實(shí)踐制作活動(dòng)，為分科教學(xué)背景下開展STEAM教育活動(dòng)提供了思路。

3 結(jié)語

物理器具制作活動(dòng)可促進(jìn)通用技術(shù)課程與STEAM教育融合，促進(jìn)STEAM教育向項(xiàng)目化、模塊化發(fā)展，為STEAM教育開展活動(dòng)提供了最佳載體，為多學(xué)科實(shí)驗(yàn)器具制作活動(dòng)開展STEAM教育提供思路，物理實(shí)驗(yàn)器具制作活動(dòng)可較好地實(shí)現(xiàn)STEAM的教育功能。