艾蒂 韓敘虹

摘 要：STEM教學(xué)是以工程問題為主線，運(yùn)用科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，通過技術(shù)達(dá)成目標(biāo)的教學(xué).以“制作投石車”為例，詳細(xì)闡述了基于STEM的物理學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的具體實(shí)施過程和設(shè)計(jì)意圖，說明STEM教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力.

關(guān)鍵詞：STEM;核心素養(yǎng);拋體運(yùn)動(dòng);項(xiàng)目式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）13-0039-03

基金項(xiàng)目：全國(guó)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題2017年度教育部重點(diǎn)課題“基于STEM的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：DHA170401）.

作者簡(jiǎn)介：艾蒂（1988-），男，北京人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理核心素養(yǎng)理論及物理教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐;

韓敘虹（1971-），女，浙江溫州人，教育碩士，中學(xué)特級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.

1 項(xiàng)目學(xué)習(xí)背景

為促進(jìn)21世紀(jì)人才的培養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)已成為各國(guó)教育的共識(shí)，如OECD（經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織）提出的“核心素養(yǎng)”結(jié)構(gòu)模型，歐盟倡導(dǎo)的“終身學(xué)習(xí)核心素養(yǎng)”體系，以及美國(guó)提出的“世紀(jì)技能”等.據(jù)此，我國(guó)基于個(gè)人終身發(fā)展和國(guó)家社會(huì)發(fā)展對(duì)公民的需求，提出了“人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新”六大學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，成為我國(guó)新世紀(jì)教育立德樹人的風(fēng)向標(biāo).

基于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的國(guó)際浪潮，各國(guó)紛紛提出了相應(yīng)的教育理念和舉措，STEM教育則是國(guó)際探索21 世紀(jì)人才培養(yǎng)的重要戰(zhàn)略之一，旨在加強(qiáng)科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學(xué)（Mathematics）教育，以培養(yǎng)高科技人才來增強(qiáng)各國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力.SIEM教育以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程解讀科學(xué)和技術(shù).具體而言，STEM教育為學(xué)生提供逼近真實(shí)、富有現(xiàn)實(shí)意義的學(xué)習(xí)情境，一方面有利于學(xué)生積極主動(dòng)地參與到物理教學(xué)和社會(huì)實(shí)踐中來，培養(yǎng)他們的主觀能動(dòng)性，使他們形成敏銳的觀察力和較強(qiáng)的邏輯思維能力，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，勇于探究;另一方面，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工程的理念去分析、處理實(shí)際問題，以利于學(xué)生高階思維與積極情感的投入，解決復(fù)雜問題，從而全面提升學(xué)生的知識(shí)、能力與情感方面的核心素養(yǎng).

基于上述背景，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了基于STEM的物理學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例“制作投石車”，本節(jié)是在高一學(xué)生學(xué)習(xí)了拋體運(yùn)動(dòng)知識(shí)之后開展教學(xué)的，選材源于實(shí)際生活，滲透STEM教育理念，體現(xiàn)物理學(xué)科特點(diǎn)的同時(shí)，較好地將數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容進(jìn)行有效整合;基于項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方式，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性;采取問題驅(qū)動(dòng)課堂的方式，本節(jié)以問題鏈貫穿始終，同時(shí)注重小組合作，讓學(xué)生在協(xié)作中促進(jìn)自身跨學(xué)科整合能力、問題解決能力以及科學(xué)思維的發(fā)展，學(xué)生獲得感強(qiáng).

2 觀看視頻，引出課題

展示電視劇《三國(guó)演義》片斷：官渡之戰(zhàn)中曹操下令用投石車攻城的場(chǎng)景.

師：在史書《三國(guó)志·魏志·袁紹傳》中有這樣一段話：“太祖（曹操）乃為發(fā)石車，擊（袁）紹樓，皆破.紹眾號(hào)曰霹靂車.”這是我國(guó)史書中第一次有明確記載使用了投石車的戰(zhàn)例.它可以證明三國(guó)時(shí)期確實(shí)存在投石車，并且投石車的作用是很大的.

問：投石車有什么樣的結(jié)構(gòu)，它是怎樣工作的？我們能否制作一臺(tái)投石車模型，模擬三國(guó)時(shí)期的攻城大戰(zhàn)？

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望.

3 實(shí)施過程

3.1 問題1：投石車是何種杠桿

問：請(qǐng)同學(xué)們觀察中國(guó)古代投石車示意圖（如圖1），思考投石車是什么杠桿？

學(xué)生小組討論，形成以下觀點(diǎn).

觀點(diǎn)一：省力杠桿.之所以用投石車代替人力扔石彈，正是基于投石車能幫助人們省力將石彈擲出更遠(yuǎn)的距離.

觀點(diǎn)二：從示意圖上，觀察到能使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力是人的拉力，拉力的力臂比較短;阻礙杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的是石彈的壓力，壓力的力臂比較長(zhǎng)，故是費(fèi)力杠桿.

觀點(diǎn)三：由于杠桿兩端點(diǎn)做繞同軸傳動(dòng)的圓周運(yùn)動(dòng)，故角速度相同，為了使石彈獲得較大的線速度，可以考慮將放石彈的一端的半徑（力臂）增大.由v=ωr可知，角速度相同的情況下，半徑越大，線速度越大.因此，阻力臂大于動(dòng)力臂，投石車是一個(gè)費(fèi)力杠桿.

設(shè)計(jì)意圖：通過分析投石車是什么杠桿，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的思維.從線速度的角度分析杠桿問題，不同于以往從力的角度分析，旨在培養(yǎng)學(xué)生多角度看待問題的習(xí)慣.

3.2 問題2：投射角度設(shè)計(jì)

學(xué)生建模：石彈可看成體積不計(jì)的質(zhì)點(diǎn)，在同一位置以相同速率向不同方向運(yùn)動(dòng)，且不計(jì)空氣阻力.

提出問題：石彈運(yùn)動(dòng)到與初始位置在同一水平面時(shí)的水平位移與投射角度之間有什么關(guān)系？

學(xué)生分析：我們采用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的研究方法：水平方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向是僅在重力作用下的勻變速直線運(yùn)動(dòng).

畫出示意圖（如圖2）.

理論探究：

豎直方向列式

t=v0sinθ-（-v0sinθ）g

=2v0sinθg

水平方向列式

x=tv0cosθ=2v20sinθcosθg=v20sin（2θ）g

得出結(jié)論：當(dāng)初速度與水平方向夾角為45°時(shí)，水平位移有最大值.

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生忽略次要因素、突出主要因素的能力，把復(fù)雜投石車的現(xiàn)實(shí)問題，轉(zhuǎn)變成理想化的模型，從而分析出最佳的投射角度.培養(yǎng)學(xué)生用運(yùn)動(dòng)分解的方法解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)與物理相結(jié)合的學(xué)科融合能力.

3.3 問題3：橡皮筋設(shè)計(jì)

學(xué)生分析：橡皮筋為杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，為使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)獲得更大的速度，需要橡皮筋彈力的力臂最大.如圖3所示，當(dāng)橡皮筋彈力方向與杠桿垂直時(shí)，支點(diǎn)到動(dòng)力的作用線的距離最大，力臂最大.

由于橡皮筋另一端是固定的，在杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，彈力的方向不能總保持與杠桿垂直.因此我們可以在杠桿運(yùn)動(dòng)到其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍中間時(shí)，讓此時(shí)的彈力垂直杠桿.

為了讓橡皮筋的彈性勢(shì)能盡可能地全部釋放出去，在石彈釋放瞬間，橡皮筋應(yīng)該處于原長(zhǎng)狀態(tài).所以我們應(yīng)該確定杠桿支點(diǎn)的位置，以確定橡皮筋另一端固定的位置.

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)的物理知識(shí)遷移到真實(shí)的情境之中.體會(huì)到物理與人類社會(huì)的密切聯(lián)系，認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)的價(jià)值，增進(jìn)物理學(xué)習(xí)的興趣.

3.4 問題4：石彈兜形狀設(shè)計(jì)

問：石彈兜是杠桿上放置石彈的裝置，如果石彈兜做成一個(gè)小盒子可以嗎？

生：應(yīng)該可以.

實(shí)驗(yàn)演示：如圖4，教師用自己制作的投石車演示，用一個(gè)粉筆頭充當(dāng)石彈，當(dāng)用較小的彈力投石時(shí)，石彈做了一個(gè)較小的拋物線，當(dāng)用較大的彈力投石時(shí)，石彈運(yùn)動(dòng)的軌跡非常平.這是怎么回事？

生：石彈碰到了石彈兜上方的擋板，所以向下彈，由此導(dǎo)致石彈的運(yùn)動(dòng)軌跡很平.

師：石彈為什么會(huì)碰到上方的擋板呢？石彈在離開石彈兜之前做什么運(yùn)動(dòng)？

生：圓周運(yùn)動(dòng).

師：是什么力提供石彈的向心力？當(dāng)彈力較大時(shí)，石彈為什么會(huì)碰到擋板？

生：石彈兜對(duì)石彈的作用力與重力的合力提供石彈做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，但由于橡皮筋的彈力較大，而杠桿運(yùn)動(dòng)速度較快，需要的向心力過大，造成提供的力不足，導(dǎo)致石彈做離心運(yùn)動(dòng)，因此石彈會(huì)碰到石彈兜上方擋板，使得拋出后石彈的運(yùn)動(dòng)軌跡很平.

師：我們?cè)鯓咏鉀Q？

生：可以將石彈兜做成勺子形或者上方擋板做成傾斜狀（如圖5）.

3.5 問題5：投石車的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

車體穩(wěn)定性：提升投石車底盤穩(wěn)定的方法可以靠降低重心法，也可以利用增加底盤厚度，增加輪子數(shù)量等方法.

杠桿的穩(wěn)定性：杠桿裝置是需要承受一定的力量，為了保證杠桿裝置牢固，需要用到三角支撐，因此車體上部的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)比較大的三角支撐.杠桿的轉(zhuǎn)軸也承受著較大的壓力，很容易變形，所以我們可以縮短轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)度，在支點(diǎn)兩側(cè)加固轉(zhuǎn)軸，同時(shí)也可以限制杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，避免發(fā)生杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)彎和偏移的情況（如圖6）.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)涉及物理、數(shù)學(xué)、工程等學(xué)科知識(shí)的融合，需要結(jié)合重心知識(shí)、三角形穩(wěn)定性等知識(shí)和工程設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題.讓學(xué)生感受到我們生活世界的真實(shí)性、綜合性和趣味性，感受到各學(xué)科彼此之間不可或缺，相互聯(lián)系.

4 制作投石車，成果展示，交流評(píng)價(jià)

教師向?qū)W生提供材料和工具，如橡皮筋、塑料管、塑料棍、塑料板、細(xì)繩、刻刀、剪刀、砂紙、502膠、護(hù)目鏡、刻度尺等.

制作期間，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行組間交流，開展綜合評(píng)價(jià)，對(duì)優(yōu)秀的作品給予肯定，總結(jié)各組存在的不足之處，幫助各組學(xué)生對(duì)投石車做最大優(yōu)化和改進(jìn)，積累經(jīng)驗(yàn).

學(xué)生制作的成品如圖7所示，各組間進(jìn)行模擬攻城比賽.比賽要求：投石車投擲小球能夠投擲到5m處的“城墻”，10次投射機(jī)會(huì)，比一比哪個(gè)小組的投石車投中比例最高？投中比例最高組勝出.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生親自動(dòng)腦動(dòng)手設(shè)計(jì)投石車，對(duì)學(xué)生的綜合能力是一次重大的考驗(yàn)，同時(shí)培養(yǎng)小組同學(xué)之間的合作分工能力.讓學(xué)生通過經(jīng)歷項(xiàng)目的“設(shè)計(jì)—制作—評(píng)估—改進(jìn)”四個(gè)步驟，最大限度地開發(fā)學(xué)生的潛能.

5 結(jié)束語

縱觀整節(jié)課，我們不難發(fā)現(xiàn)，STEM項(xiàng)目教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的有效途徑之一.制作投石車的全程充滿了趣味性和挑戰(zhàn)性，直至最后一刻成功投擲小球到城墻的成就感，都激發(fā)了學(xué)習(xí)者的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到了知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活的樂趣.學(xué)生在制作投石車過程中，親自動(dòng)手、動(dòng)腦，參與了小車的設(shè)計(jì)、制作與使用，不僅享受了成果，還在攻克工程設(shè)計(jì)與技術(shù)問題的過程中，提升了綜合解決問題的能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]艾蒂，韓敘虹.基于物理核心素養(yǎng)的STEM教學(xué)的實(shí)踐——以“反沖小車”為例[J].中學(xué)物理，2019（05）：18-20.

（收稿日期：2021-04-04）