艾蒂 韩叙虹

摘 要：STEM教学是以工程问题为主线，运用科学、数学等学科知识，通过技术达成目标的教学.以“制作投石车”为例，详细阐述了基于STEM的物理学科项目式学习的具体实施过程和设计意图，说明STEM教学有助于培养学生的创新意识和实践能力.

关键词：STEM;核心素养;抛体运动;项目式教学

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0039-03

基金项目：全国教育科学“十三五”规划课题2017年度教育部重点课题“基于STEM的高中物理实验教学研究”（项目编号：DHA170401）.

作者简介：艾蒂（1988-），男，北京人，本科，中学一级教师，研究方向：物理核心素养理论及物理教学设计与实践;

韩叙虹（1971-），女，浙江温州人，教育硕士，中学特级教师，研究方向：物理教学设计与实践.

1 项目学习背景

为促进21世纪人才的培养，发展学生核心素养已成为各国教育的共识，如OECD（经济合作与发展组织）提出的“核心素养”结构模型，欧盟倡导的“终身学习核心素养”体系，以及美国提出的“世纪技能”等.据此，我国基于个人终身发展和国家社会发展对公民的需求，提出了“人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新”六大学生发展核心素养，成为我国新世纪教育立德树人的风向标.

基于发展学生核心素养的国际浪潮，各国纷纷提出了相应的教育理念和举措，STEM教育则是国际探索21 世纪人才培养的重要战略之一，旨在加强科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）教育，以培养高科技人才来增强各国的国际竞争力.SIEM教育以数学为基础，通过工程解读科学和技术.具体而言，STEM教育为学生提供逼近真实、富有现实意义的学习情境，一方面有利于学生积极主动地参与到物理教学和社会实践中来，培养他们的主观能动性，使他们形成敏锐的观察力和较强的逻辑思维能力，学会独立思考，勇于探究;另一方面，培养学生运用工程的理念去分析、处理实际问题，以利于学生高阶思维与积极情感的投入，解决复杂问题，从而全面提升学生的知识、能力与情感方面的核心素养.

基于上述背景，笔者设计开发了基于STEM的物理学科项目式学习案例“制作投石车”，本节是在高一学生学习了抛体运动知识之后开展教学的，选材源于实际生活，渗透STEM教育理念，体现物理学科特点的同时，较好地将数学、工程和技术学科的内容进行有效整合;基于项目式的学习方式，能充分调动学生的积极性;采取问题驱动课堂的方式，本节以问题链贯穿始终，同时注重小组合作，让学生在协作中促进自身跨学科整合能力、问题解决能力以及科学思维的发展，学生获得感强.

2 观看视频，引出课题

展示电视剧《三国演义》片断：官渡之战中曹操下令用投石车攻城的场景.

师：在史书《三国志·魏志·袁绍传》中有这样一段话：“太祖（曹操）乃为发石车，击（袁）绍楼，皆破.绍众号曰霹雳车.”这是我国史书中第一次有明确记载使用了投石车的战例.它可以证明三国时期确实存在投石车，并且投石车的作用是很大的.

问：投石车有什么样的结构，它是怎样工作的？我们能否制作一台投石车模型，模拟三国时期的攻城大战？

设计意图：激发学生学习兴趣和探究欲望.

3 实施过程

3.1 问题1：投石车是何种杠杆

问：请同学们观察中国古代投石车示意图（如图1），思考投石车是什么杠杆？

学生小组讨论，形成以下观点.

观点一：省力杠杆.之所以用投石车代替人力扔石弹，正是基于投石车能帮助人们省力将石弹掷出更远的距离.

观点二：从示意图上，观察到能使杠杆转动的力是人的拉力，拉力的力臂比较短;阻碍杠杆转动的是石弹的压力，压力的力臂比較长，故是费力杠杆.

观点三：由于杠杆两端点做绕同轴传动的圆周运动，故角速度相同，为了使石弹获得较大的线速度，可以考虑将放石弹的一端的半径（力臂）增大.由v=ωr可知，角速度相同的情况下，半径越大，线速度越大.因此，阻力臂大于动力臂，投石车是一个费力杠杆.

设计意图：通过分析投石车是什么杠杆，培养学生科学推理的思维.从线速度的角度分析杠杆问题，不同于以往从力的角度分析，旨在培养学生多角度看待问题的习惯.

3.2 问题2：投射角度设计

学生建模：石弹可看成体积不计的质点，在同一位置以相同速率向不同方向运动，且不计空气阻力.

提出问题：石弹运动到与初始位置在同一水平面时的水平位移与投射角度之间有什么关系？

学生分析：我们采用运动的合成与分解的研究方法：水平方向是匀速直线运动，竖直方向是仅在重力作用下的匀变速直线运动.

画出示意图（如图2）.

理论探究：

竖直方向列式

t=v0sinθ-（-v0sinθ）g

=2v0sinθg

水平方向列式

x=tv0cosθ=2v20sinθcosθg=v20sin（2θ）g

得出结论：当初速度与水平方向夹角为45°时，水平位移有最大值.

设计意图：培养学生忽略次要因素、突出主要因素的能力，把复杂投石车的现实问题，转变成理想化的模型，从而分析出最佳的投射角度.培养学生用运动分解的方法解决问题，培养学生的数学与物理相结合的学科融合能力.

3.3 问题3：橡皮筋设计

学生分析：橡皮筋为杠杆转动提供动力，为使杠杆转动获得更大的速度，需要橡皮筋弹力的力臂最大.如图3所示，当橡皮筋弹力方向与杠杆垂直时，支点到动力的作用线的距离最大，力臂最大.

由于橡皮筋另一端是固定的，在杠杆转动过程中，弹力的方向不能总保持与杠杆垂直.因此我们可以在杠杆运动到其转动范围中间时，让此时的弹力垂直杠杆.

为了让橡皮筋的弹性势能尽可能地全部释放出去，在石弹释放瞬间，橡皮筋应该处于原长状态.所以我们应该确定杠杆支点的位置，以确定橡皮筋另一端固定的位置.

设计意图：培养学生将所学的物理知识迁移到真实的情境之中.体会到物理与人类社会的密切联系，认识到物理知识的价值，增进物理学习的兴趣.

3.4 问题4：石弹兜形状设计

问：石弹兜是杠杆上放置石弹的装置，如果石弹兜做成一个小盒子可以吗？

生：应该可以.

实验演示：如图4，教师用自己制作的投石车演示，用一个粉笔头充当石弹，当用较小的弹力投石时，石弹做了一个较小的抛物线，当用较大的弹力投石时，石弹运动的轨迹非常平.这是怎么回事？

生：石弹碰到了石弹兜上方的挡板，所以向下弹，由此导致石弹的运动轨迹很平.

师：石弹为什么会碰到上方的挡板呢？石弹在离开石弹兜之前做什么运动？

生：圆周运动.

师：是什么力提供石弹的向心力？当弹力较大时，石弹为什么会碰到挡板？

生：石弹兜对石弹的作用力与重力的合力提供石弹做圆周运动的向心力，但由于橡皮筋的彈力较大，而杠杆运动速度较快，需要的向心力过大，造成提供的力不足，导致石弹做离心运动，因此石弹会碰到石弹兜上方挡板，使得抛出后石弹的运动轨迹很平.

师：我们怎样解决？

生：可以将石弹兜做成勺子形或者上方挡板做成倾斜状（如图5）.

3.5 问题5：投石车的稳定性设计

车体稳定性：提升投石车底盘稳定的方法可以靠降低重心法，也可以利用增加底盘厚度，增加轮子数量等方法.

杠杆的稳定性：杠杆装置是需要承受一定的力量，为了保证杠杆装置牢固，需要用到三角支撑，因此车体上部的核心结构是一个比较大的三角支撑.杠杆的转轴也承受着较大的压力，很容易变形，所以我们可以缩短转轴的长度，在支点两侧加固转轴，同时也可以限制杠杆转动过程中的运动轨迹，避免发生杠杆转动时发生侧弯和偏移的情况（如图6）.

设计意图：本环节涉及物理、数学、工程等学科知识的融合，需要结合重心知识、三角形稳定性等知识和工程设计解决实际问题.让学生感受到我们生活世界的真实性、综合性和趣味性，感受到各学科彼此之间不可或缺，相互联系.

4 制作投石车，成果展示，交流评价

教师向学生提供材料和工具，如橡皮筋、塑料管、塑料棍、塑料板、细绳、刻刀、剪刀、砂纸、502胶、护目镜、刻度尺等.

制作期间，教师及时引导学生进行组间交流，开展综合评价，对优秀的作品给予肯定，总结各组存在的不足之处，帮助各组学生对投石车做最大优化和改进，积累经验.

学生制作的成品如图7所示，各组间进行模拟攻城比赛.比赛要求：投石车投掷小球能够投掷到5m处的“城墙”，10次投射机会，比一比哪个小组的投石车投中比例最高？投中比例最高组胜出.

设计意图：让学生亲自动脑动手设计投石车，对学生的综合能力是一次重大的考验，同时培养小组同学之间的合作分工能力.让学生通过经历项目的“设计—制作—评估—改进”四个步骤，最大限度地开发学生的潜能.

5 结束语

纵观整节课，我们不难发现，STEM项目教学是培养学生的创新意识和实践能力的有效途径之一.制作投石车的全程充满了趣味性和挑战性，直至最后一刻成功投掷小球到城墙的成就感，都激发了学习者的内在学习动机，让学习者在学习过程中体验到了知识应用于现实生活的乐趣.学生在制作投石车过程中，亲自动手、动脑，参与了小车的设计、制作与使用，不仅享受了成果，还在攻克工程设计与技术问题的过程中，提升了综合解决问题的能力.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]艾蒂，韩叙虹.基于物理核心素养的STEM教学的实践——以“反冲小车”为例[J].中学物理，2019（05）：18-20.

（收稿日期：2021-04-04）