基于STEAM理念的物理综合实践活动——以“制作杆秤”为例

赵宗友

(重庆市大足区城南实验学校，重庆 402360)

在初中物理综合实践活动中融入STEAM教育理念，可以让学生深刻理解与物理有关的科学、技术、工程、艺术、数学等知识,有利于提高学生的科学思维能力。[1]在教学实践中，笔者设计了制作杆秤的活动,引导学生展开融合STEAM教育理念的初中物理项目式学习活动，综合实践与STEAM教育理念碰撞出了创新的火花。

1 基于实际，发现问题

《中国学生发展核心素养》提出的“核心素养”是各学科教育落实在学生身上最有价值的必备品格及关键能力,是个体在面对复杂的、不确定的现实问题时,能够发现问题、解决问题的综合品质。[2]然而，面对升学的压力,部分教师会偏重于知识与技能的传授,忽略方法的指导,导致学生的实践能力、创新能力以及发现问题和解决问题的能力不能得到应有的提升。为此,教师可以充分利用综合实践活动,融合STEAM教育理念，给学生搭建平台,创造更多实践的机会,培养他们的科学探究能力、创新能力,进而促进其核心素养的全面发展。

2 融会贯通，创新实践

2.1 激趣导入

请学生猜一个谜语：“小小砣,压千斤”,打一生活中的测量工具，谜底是“杆秤”。教师接着展示生活中的杆秤，启迪学生思考,体会物理源于生活。

播放视频：非遗传承人制作杆秤的工艺,视频介绍了杆秤的结构、用途、历史和文化背景,秤还是公平公正的象征,是天地良心的标尺。通过视频和解说让学生明白杆秤承载着中华民族的千年历史和璀璨文化,从而让学生经受“家国情怀”“人文素养”的熏陶。

2.2 背景知识

情境创设：用杆秤称量一个苹果的质量。

知识唤醒：展示称量过程，利用现象与问题唤醒学生的知识记忆。

知识要点：对杆秤进行受力分析，杠杆再认识，杠杆五要素，杠杆平衡条件。

2.3 项目实施

2.3.1 确定制作材料

问题1：秤杆如何选择?

学生提出用木棒来做秤杆,其造型可满足精美的要求,却因不便于打磨而被其他同学否定。也有学生提出用较细的不锈钢条做秤杆,可以称量质量更大的物体,又因钢条容易变形、不便于标注刻度而被否定。经过讨论，他们认为用竹筷或木筷做秤杆更方便。

问题2：秤砣如何选择?

学生建议选用较大的螺丝、螺帽、橡皮、铁锁等,从实用性、美观性的角度考虑,最终确定用螺帽或铁锁做秤砣。

2.3.2 提纽和秤盘位置的确定

讨论交流：学生根据所学知识、生活经验进行交流讨论，认为提纽和秤盘确定的基本原则是美观、操作方便，便于刻度标注和量程的选择。

方案确定：把秤盘固定在距离筷子较粗的一端1 cm的位置,而提纽固定在距离筷子较粗的一端2 cm的位置。

2.3.3 确定刻度线

问题1：如何确定零刻度线(定盘星)的位置?

学生根据自己的生活经验很快确定了方案,手提提纽,调节秤砣的位置,使筷子水平平衡,悬挂秤砣的细线所在位置便是杆秤的零刻度线,即定盘星的位置。

问题2：如何标注30 g刻度线的位置?

交流讨论：标注刻度的原理是杠杆平衡条件，确定给杆秤标注刻度的方法。

方案确定：在秤盘里放入30 g的砝码,手提提纽,调节秤砣的位置,使筷子水平平衡,这时悬挂秤砣的细线所在位置便是30 g刻度线。同学们按照同样的方法分别标出10 g、20 g、40 g等刻度线。

实践操作：通过小组成员的共同努力,一把把杆秤陆续制作完成。同学们纷纷利用自制的杆秤称量身边的一些小物品的质量，成功的喜悦之情油然而生。

问题讨论：在称量过程中，同学发现自制杆秤存在不足：分度值太大,导致测量值不够精确。

解决方案：各小组又开始积极讨论,寻求解决问题的办法。在此过程中,教师适时引导学生观察自制杆秤已经标出的刻度线的间距,他们惊奇地发现每两个刻度间的距离是相等的,即刻度是均匀的,于是提出改进方案:只需把每个大刻度平均分成10个小刻度,分度值就由10 g减小到1 g,便能有效提高精确度。

问题3：杆秤的刻度为什么是均匀的?

理论分析：在作图的基础上利用杠杆平衡条件进行分析(图1、图2)，O表示提纽所在位置(杠杆支点),A表示提纽左端部份秤杆的重心位置，B表示提纽右端部份秤杆的重心位置，C表示未称量物体时秤砣所在位置(杆秤的零刻度线),D表示称量物体时秤砣所在位置,E表示所称量物体对秤杆所施加拉力的作用点位置,ΔL表示称量时秤砣从零刻度线向右移动的距离。

图1

图2

科学结论：通过理论分析，推导出秤砣从零刻度线向右移动的距离与所称量物体的质量成正比,进而证明了杆秤的刻度是均匀的，还能进一步推断出秤杆自重和提纽的位置不会对测量结果产生影响。

问题4：如何制作一把最大测量值更大的杆秤?

交流讨论：从理论与实践两个方面进行讨论与交流，引导学生利用杠杆平衡条件，通过作图进行分析。

方案确定：减小提纽到秤盘间的距离,也可以增大秤砣的质量,还可以选择更长的筷子做秤杆等等。

2.4 成果展示

如图3所示,同学们在成果展示过程中收获满满,喜悦之情溢于言表。他们选择了生活中常见的物品作为主要材料,融合科学、技术、工程、艺术和数学等相关知识,在合作中制作出了精美的杆秤(图4)，虽然结构简单,却更容易揭示出事物的本质,解决了杠杆平衡条件在生活中应用的难题,效果良好。

图3

图4

3 总结反思，收获感悟

核心素养的培养目标不是灌输式教学所能达成的,而是要突出学生的实践体验、知识建构及知识运用。[3]实践证明,融STEAM教育理念于物理综合实践活动之中，对学生物理学科核心素养的培养具有积极的促进作用,它能鼓励学生从物理的视角观察生活,利用多学科知识解决生活中遇到的问题,以此服务于生产与生活,认识科学、技术、社会、环境之间的互动关系,逐渐形成探索自然的内在动力。从长远来看,在教学中融合STEAM教育理念，既有利于学生巩固所学知识,提高应用能力，也有利于充分挖掘学生潜在的创造力，还有利于培养他们发现问题、分析问题和解决问题的能力。与沉溺于题海战术的教学相比,这更能激发学生的学习动机,有助于进一步提高学生开展科学探究的积极性。