基于STEAM教育與HPS理念的高中物理教學設計

在以往的物理教學研究中，科學、技術、工程、藝術和數(shù)學教育（STEAM），及科學史、科學哲學和科學社會學教育（HPS）被視為兩個相對獨立的領域。教師將這兩種教育理念結合起來，發(fā)揮STEAM的實踐性、創(chuàng)造性，HPS的思辨性、批判性，通過實驗探索與理論教學加深學生對知識的理解，并引入歷史與哲學元素培養(yǎng)學生的高階思維能力。在這一過程中，教師基于STEAM與HPS的理念，從跨學科以及物理學史背景的角度教學，讓學生感受物理學的人文之美，增強跨學科實踐能力。以斜拋運動教學為例，筆者自制教具（氣弓箭箭矢），讓學生經(jīng)歷實驗探究、軟件模擬、公式推導、物理學史引入等過程，深入探究斜拋運動規(guī)律，體會物理學的人文意義和價值。結合STEAM與HPS優(yōu)勢，開展斜拋運動教學旨在提供一種可能的新思路。一、STEAM和HPS結合可實現(xiàn)優(yōu)勢互補融合STEAM與HPS開展物理教學具有可行性，體現(xiàn)在以下三個方面。首先，STEAM與HPS都具有跨學科特性。STEAM十分注重學科融合。HPS將科學、歷史、哲學等進行綜合，同樣鼓勵學科交叉。其次，STEAM與HPS都強調創(chuàng)造性。STEAM依托具體的實踐活動培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。歷史上重大理論問題的突破往往得益于科學家良好的哲學素養(yǎng)，對于HPS而言，一方面引導學生學習科學史培養(yǎng)懷疑精神，另一方面訓練學生哲學思維[1]。最后，STEAM與HPS都強調實用性。STEAM鼓勵學生在跨學科主題學習中將學到的知識技能和成果應用到現(xiàn)實中，以解決實際問題。HPS模式下，學生對科學、技術、社會等問題進行思考，探究解決實際問題的方法。綜上所述，STEAM和HPS二者能夠互為補充。學生在發(fā)展創(chuàng)新性思維、批判性思維、跨學科能力以及解決問題能力的基礎上，進一步了解物理學的發(fā)展歷程、社會影響和倫理問題等，增強社會責任感和人文關懷，有利于提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。二、STEAM與HPS相結合的教學設計思想對于STEAM與HPS融合的物理教學，教師可以從以下三個方面著手。其一，現(xiàn)實研究與歷史研究相結合：圍繞某一主題展開實踐活動，并結合歷史上對同一物理現(xiàn)象的分析，讓學生在比較中了解科學發(fā)展與技術改進是相輔相成的關系。其二，物理學與其他相關學科相結合：物理教學中，教師在主題的選擇、背景的介紹等方面穿插科技史的講解，并結合數(shù)學、工程、藝術等學科組織科學探究活動，培養(yǎng)學生跨學科能力與實踐能力。其三，科學性與人文性相結合：STEAM中的科學、技術、工程、數(shù)學具有典型的科學性，而HPS引導學生思考科學、技術、社會的關系，強化了科學教育的人文意義。結合以上三個方面的分析，對于“斜拋運動”這一節(jié)課的教學，筆者將該課程內容涉及STEAM與HPS要素做了梳理（見表1）。筆者計劃從實驗與理論兩個方面開展教學，即通過氣弓箭箭矢的制作與發(fā)射、斜拋運動軌跡的推導來研究斜拋運動規(guī)律，最后引入古代中西方對箭矢飛行軌跡的認識來加深學生的理解。流程如圖1所示。三、STEAM與HPS相結合的教學實踐（一）設計實驗研究氣弓箭箭矢的運動軌跡本節(jié)課用到的實驗儀器為氣弓箭。相較于傳統(tǒng)弓箭，教師應用氣弓箭教學具有以下優(yōu)勢：一方面，紙制箭矢相對安全；另一方面，氣弓箭的發(fā)射采用氣壓機制，操作難度低。1.實驗設計：自制氣弓箭箭矢進行打靶比賽教師活動：介紹氣弓箭的原理，即利用壓縮氣體儲存能量，并以釋放氣體的方式將能量轉化為箭矢的動能。學生活動：根據(jù)模型制作箭矢（如圖2）。首先，選用硬卡紙作為箭頭和箭身材料，將紙卷成筒狀作為箭身，注意底面直徑應比發(fā)射筒的直徑略大。其次，適當剪裁卡紙并卷成箭頭狀，用膠將箭頭與箭身粘貼牢固。最后，選用薄的塑料板作為尾翼，將其粘貼在箭身末端。教師活動：引導學生使用自制的箭矢參與打靶射擊比賽。開始時，教師讓學生體驗將箭頭正對靶心射擊，結果箭矢落在靶心下方。此時，讓學生知道為了命中靶心，需要將氣弓箭向上抬起一定角度。為了確保安全，氣弓打氣時應保證壓強小于兩個大氣壓，還應提前開展必要的安全指導和培訓。2.運用VernierVideoPhysics軟件描述飛行軌跡VernierVideoPhysics是一款物理教學軟件，它不僅能夠根據(jù)視頻捕捉物體的運動軌跡，而且能建立坐標軸描述運動情況，便于學生探究物理現(xiàn)象背后的原理。教師活動：在教室內進行打靶比賽過程中，利用手機攝像頭拍攝箭矢空中飛行過程，使用VernierVideoPhysics軟件分析飛行軌跡。以箭矢射出時的位置為坐標原點，以水平和豎直方向為x軸、y軸，建立平面直角坐標系。教師出示箭矢在空中飛行的實物圖及軌跡圖（如圖3）。學生活動：從熟悉的平拋運動入手，運用類比的方式分析箭矢在空中的力學特點（暫時不計空氣阻力），包括水平和豎直方向的速度、加速度等，進而推斷箭矢的運動情況。結合軟件分析得到的軌跡圖，在教師引導下初步得出斜拋運動的軌跡是一條拋物線的結論。教學反思：在制作箭矢的過程中，學生可以自行設計箭矢的顏色、形狀和箭身上的圖案等，將個性特點融入其中，培養(yǎng)其審美意識和創(chuàng)新思維。學生親身參與比賽，能夠明白在打靶過程中，箭矢的飛行軌跡是一條曲線。VernierVideoPhysics軟件可以將不易察覺到的物理規(guī)