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基于物理实验的STEM课程案例

内容简介

泰戈尔说:“世界上最远的距离是鱼与飞鸟的距离,一个在天,一个却深潜海底。”也有人认为,“世界上最远的距离是从头到手的距离”(能想到却做不到)。

一、灵巧的手艺是从事科学实验之本

杨振宁说过,“现象是物理学的本源”,如果只会动脑不会动手,只会记忆不会观察,那么就好像是用一条腿走路,走不快也走不远。

《普通高中物理课程标准》指出:“充分利用已有的实验器材,努力开发适合本校情况的实验课程资源,尽可能让学生自己动手多做实验……”加强动手实验操作能力是提升高中生物理学科核心素养的重要环节,同时课外实验的开发与运用也是对课内实验教学的有效补充、拓展。

在平时的物理课堂上,学生学到了许多理论知识,然而实用性和技术性知识却较少,动手能力相对较弱。也正因为如此,学生对物理概念和规律的理解很难达到一个较高的层次。而我们的教学,正如戴维·珀金斯在《为未知而教,为未来而学》中谈到的那样,应该“努力培养孩子的好奇心,启发智慧,增进自主性和责任感,引导他们积极、广泛、有远见地追寻有意义的学习”。

欧姆小时候家境贫寒,父亲是个技术熟练的锁匠,父亲对欧姆的技术启蒙使他养成了动手的好习惯(得以心灵手巧,做什么都像样)。如果不是有这一手好手艺(木工、车工、钳工样样都能来一手),欧姆是不可能获得伟大成就的。在进行电流随电压变化的实验时,欧姆正是巧妙地利用电流的磁效应,自己动手制作了电流扭秤,用它来测量电流强度,取得了较精确的结果,发现了欧姆定律。

实践证明,只有多采用动手动脑的物理小实验、小制作、小测量、小探究,才能够让更多的学生喜欢物理课,喜欢创新,喜欢发明。

本书便是在此思想指导下编撰而成的,是根据教学需要由一线教师开发、具有实用价值的校本教材,其内容是基于真实情境中的原始物理问题而进行的探究活动,是“就地取材做实验,动手动脑学物理”的一种学习方式的具体体现,使学生从传统的旁观者、被动的接受者变成积极主动地参与物理学习的主体。

二、红岭中学高中物理课程结构

经过多年的实践探索和努力,红岭中学已经形成了较完善的高中物理课程结构,取名为“科学本质”课程,如下图所示。

1.科学本质

物理(Physis)的本意是“去发现事物的本质或真正的要素”,物理学(Physics)的原意是“为探索一切事物的本质所做的努力”。那么,科学本质是什么呢?

认识科学本质是指对科学知识、科学研究过程和方法、科学事业、科学价值和局限性等方面最基本特点的认识,包含三个方面:

(1)科学知识的本质。世界可以被认识,科学观点会变化,科学知识具有相对长久性,科学不能解决所有问题。

(2)科学探究的本质。科学需要证据,科学是逻辑和想象的结合,科学具有解释和预见能力;科学家努力鉴别和避免偏见,需要保存精确的记录,以供同行评议和重复实验,在观察中承载理论;科学不仰仗权威。

(3)科学事业的本质。科学是一项复杂的社会活动;科学由学科内容组成,由不同机构研究;来自各个文化领域的人们都对科学有贡献,科学是社会及文化传统的一部分,科学和技术、社会相互影响;科学研究中有普遍被接受的道德规范;科学家在参与公共事务时,既是科学家又是公民。

2.科学本质课程

创造性地落实三级课程,注重体现物理学科本质,培养学生物理学科核心素养,这些都是高中物理教学的根本任务。最具选择性、个性化和自由度的是校本课程,其是对国家课程的很好补充。

红岭中学高中部物理“科学本质”课程的校本部分包括六个模块,分别为科技节(科技及论文、水火箭比赛、科技制作大赛等)、“致用”科技社(魔术与物理、观察与实验、参观访问等)、创客工作室(兴趣活动、制作发明、学习探究等)、研究性学习(物理建模、影视中的物理、物理与哲学等)、课内学习的延伸(大学选修课、物理竞赛辅导、课内外实验拓展等)、基于STEM的未来工程师(木梁承重、过山车、投石车、千机变等)。

“科学本质”课程的追求是“物理、悟理,究物穷理,质疑创新,快乐学习”,通过课程的实施,体会物理学之美,如对称统一之美、和谐简单之美、转化守恒之美、理性逻辑之美。

三、本书的内容组成和使用建议

本书分四章,共有三十一节,分别从“基于STEM的课外小制作和实验探究” “对教材上演示实验或分组实验的拓展延伸” “魔术表演和物理原理探究” “适用于集体竞赛形式的制作、表演和探究活动”角度设计教与学的内容。实验活动内容和形式丰富多元、图文并茂、趣味性强,实验方案切实可行,是在学生已有知识和能力的基础上利用身边一些简单易得的器材进行制作或探究,有的是适合大规模集体参与的实践活动,有的是习题教学中在理论分析的基础上继续进行的实验探究拓展。实验探究活动既可以在教师的指导下于课堂内实施,也可以由学生自己独立在课外进行。

前两章,每一节都设置了四个栏目,分别为“科学家的故事” “知识拓展” “实践与探究” “理论探究”,根据学生的需要,每一节安排3~5课时不等,根据实际情况和需求,每节的活动内容可以有针对性地进行选择。

物理学既是一门科学,也是一种文化,它是人类思想文明的源泉。科学家的故事中蕴藏着丰富的人文精神,科学家的刻苦钻研、实事求是、追求真善美的优秀品质会对学生产生深远的影响,所以安排了“科学家的故事”栏目。由于实验探究活动涉及的理论知识较广,在每节的“知识拓展”栏目中适当地补充相关的理论知识是必要的。每节的“实践与探究”栏目安排了相应的动手实践和实验探究活动,可能是制作类的活动,也可能是探究性的实验。同时,在学生兴趣浓厚的基础上再进一步实施拓展探究,可能是“做一做”“看一看”的形式,也可能是理论上的思考。“理论探究”栏目中,附上了约两道与该节实验探究活动紧密联系的题目,供有需要、有兴趣的学生进一步思考,它体现了本书实用性的一面。

第一章的第二节和第三节由李春来和李杏清合作编写,第七节由魏捷编写,第九节、第十节由林淑淇编写,第十二节由林奕墩编写;第二章的第七节由肖寒编写,第九节、第十一节由赵刚编写,其他22节由李春来编写,并由李春来负责全书的增补、删节、修改和统稿工作。

本书在编撰过程中受益于吴磊、邢国才等专家的指导,也得到了红岭中学张健校长和高中部物理组全体教师的大力支持,在此一并致以衷心的感谢。同时也向本书编写过程中参阅的书籍、文献的作者致谢。由于编者水平有限,本书必定会有不少缺点甚至错误,望读者不吝指正。


作者简介

李春来,48岁,深圳市红岭中学(集团)高级教师,广东省骨干教师。从事高中物理教学,长期担任班主任工作。先后在各级各类杂志上发表论文几十篇,出版专著1本,主编或参编教辅用书8本,主持省、市、区级科研课题研究各1项。


目录

第一章   

基于STEM的课外小制作和实验探究 

第一节永不下落纸飞机的制作及试飞

第二节创意花窗的设计和制作

第三节“木梁承重”项目设计、制作和测试

第四节简易杆秤的制作

第五节卡文迪许扭秤实验模型的制作

第六节水火箭的制作和发射

第七节希罗喷泉的制作

第八节简易直流电动机的制作

第九节自制组合发电机

第十节自制“莱顿瓶”电容器

第十一节简易收音机的组装和调试

第十二节简易光导“水”纤维的制作 

第二章

对教材上演示实验或分组实验的拓展延伸 

第一节估测沙子间的动摩擦因数

第二节自制雾凇,观察结晶现象

第三节对表面张力现象的观察和实验探究

第四节简易静电除尘器和验电器的制作与实验

第五节水果电池的制作和探究

第六节简易欧姆表的改装与电阻测量

第七节对安培力方向与大小的探究

第八节对涡流现象和跳环实验的实践探究

第九节磁动力小列车的制作及实验探究

第十节对来源于习题中实际问题的理论和实践探究

第十一节对弹簧弹力与形变量关系的探究与应用

第十二节参观访问大亚湾核电站 

第三章

魔术表演和物理原理探究 

第一节力学原理在魔术表演中的运用

第二节电磁学和运动学原理在魔术表演中的运用

第三节流体力学和光学原理在魔术表演中的运用 

第四章

适用于集体竞赛形式的制作、表演和探究活动 

第一节千机变竞赛项目及规程

第二节鸡蛋撞地球竞赛项目及规程

第三节纸飞机模型竞赛项目及规程

第四节直升灯笼竞赛项目及规程 

参考文献


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