基于STEAM教育理念的“偽3D全息投影”項目化學習探索

方強

(江北高級中學 陜西 安康 725000)

王長江

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

張紅洋

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710000)

STEAM課程以培養多方面綜合型人才為目標，是近年來綜合課程的典型代表．然而，由于社會教育資源分配不均衡、功利性評價制度制約等客觀因素，導致教師STEAM教育理念薄弱及其教學實踐的缺失．目前我國尚無成熟的一貫制STEAM課程體系，STEAM課程的實施需教師自行探索.課程實施首要條件是對STEAM課程載體的發掘，否則，一節STEAM課難免會變成理論分析課，若遴選的載體缺乏整合性，教學也難以向綜合性思維推進．因此，如何遴選蘊含STEAM知識的綜合性載體，如何引導學生從淺層學習推向深度學習？如何評價STEAM教學目標是否達成？成為踐行STEAM課程必須思考問題．本文試圖以“偽3D全息投影”為例進行STEAM項目化學習探索．

1 項目化學習目標

該項目化學習適用于初中“光的反射”演示實驗和高中“光的反射”和“光的折射”“折射率”等內容的探究實驗．“偽3D全息投影”項目的STEAM知識目標如下.

Science：光的反射、光的折射、折射率、虛像和有機化合物．

Technology：尺規作圖、材料分析．

Engineering：設計、裁剪、組裝和制作以及游標卡尺的使用．

Art：繪畫、視頻素材的選擇．

Mathematics：三視圖、余弦定理、勾股定理.

能力目標：繪圖能力、立體空間想象力、數學運算能力、實驗操作能力和溯因推理能力等．

2 項目化學習過程

2.1 問題生成

教師在暗環境下演示關于地球運動的“偽3D全息投影”實驗(圖1)，激發對“新奇”現象的探究，組織學生近距離觀察演示實驗，完成觀察記錄表(表1).

圖1 教師演示實驗

表1 觀察記錄表

圖2 演示的投影盒

圖3 演示的四分視頻

通過觀察記錄表和教師提問，引導學生有目的地觀察物理現象并提出問題，進而建立物理過程模型，將教學推進至下一個階段——原理分析．

2.2 原理探究

(1)投影盒化學成分分析

a.單體結構簡式為CH2=CH—COOR(√)；

b.鏈節為—CH2—CH—(×)

c.聚合度為n(√)；

d.有固定的熔沸點(×)；

e.在一定條件下能發生加成反應(×)

f.在一定條件下能發生水解反應(√)；

g.聚丙烯酸酯具有很強的吸水性(×)

化學課標要求：知道有機化合物分子是有空間的，以甲烷、乙烯等為例認識碳原子的成鍵特點，以乙烯、乙醇等為例認識官能團；結合典型實例認識官能團與性質的關系，知道加成、聚合等有機反應類型，知道在一定條件下可以轉化[1]．通過聚丙烯酸酯結構分析，它由CH2=CH-COOR經加成聚合反應生成，屬于高分子化合物，而高分子化合物均屬于混合物，沒有固定的熔、沸點；由于聚丙烯酸酯結構中沒有碳-碳雙鍵，所以不能發生加成反應，分子式不含親水基，故無吸水性；由于有脂的結構，因此可發生水解反應．判斷命題側重對學生能力的培養和方法的考查，準確判斷官能團，依據相應官能團結構和性質，靈活運用，有利于培養學生的知識遷移和邏輯推理能力．

(2)投影盒幾何分析

圖4 投影盒立體圖分析

圖5 Z形支架

已知等腰△ABE邊長AB為b，在求頂角的過程中，培養學生演繹推理能力和空間想象能力，推導演繹如下：

1)在直角△EFO中，因為∠EFO=45°，故OE=

圖6 投影盒側面展開圖

(3)投影盒成像原理分析

投影盒尖端正對屏幕中心，四分屏的視頻經投影盒各側面反射出去(圖7)，當觀察者在不同側面觀察時，反射的是不同位置的圖像，觀察者看見的是懸置于投影盒正中的虛像，故產生“3D”的錯覺．

圖7 成像原理示意圖

2.3 成果導向

材料：手機或平板，尺規，量角器，計算器，小刀，膠帶，透明塑料板，四分屏視頻等．

教師選取材料較薄和較厚的學生作品展示同一素材，分析成像差異，潛在地引入“厚度”要素，為重影分析做鋪墊，圖8～11是某學生制作主要環節及效果呈現．

圖8 裁剪的投影盒側面

圖9 粘貼投影盒

圖10 選擇的視頻素材

圖11 學生實驗效果

2.4 次生問題(重影)探究

教師提問：是否觀察到重影現象？引導學生有目的地觀察和實驗，學生感知手機原視頻與成像清晰度的差異，發現“新”物理現象——重影.將重影作為新的研究起點，引導次生問題的生成，推動學生思維進入新階段．學生假設的影響因素通常有以下幾個：表面粗糙度、板材厚度、板材透明度等．

學生甲用游標卡尺測量不同學生產品厚度，發現材料越厚，重影現象越明顯，認為一束光經過材料上表面時(圖12)，一部分光經上表面反射，另一部分光線從空氣進入材料內部發生折射，經下表面反射，再次進入空氣發生折射，于是形成了兩束光線，因此，觀察到“重影”現象．

圖12 重影原理分析

2.5 產品優化及衍生問題

鑒于對“3D全息投影”原理和重影影響因素綜合分析，學生認為投影盒應選透明度好、厚度薄的化學材料制作．乙學生提出：平板放在最下面，投影盒尖頂去掉，變成四棱臺，將其倒放在屏幕上，則不需要Z形支架(圖13)．聽了乙學生的觀點，丙學生提出將其扣在屏幕上(圖14)，驗證發現二者方案均可投影，但投影上下左右恰好相反(圖15和16)．

圖13 乙優化方案

圖14 乙優化后的效果

圖15 丙建議方案

圖16 丙建議后的效果

經學生探討交流，該組學生認為，因視頻圖像是中心對稱圖形(圖10)，倒置投影盒時，正面亞克力板外表面反射光線(圖17)，正置投影盒時，對面亞克力板內表面反射光線(圖18)，因此成像上下和左右剛好相反．產品優化后的新現象又成為科學思維訓練的起點和載體，前后問題的連續性和相關性有助于學生對幾何光學精準的理解、應用及知識組塊的形成．

圖17 倒置投影盒的光路圖

圖18 正置投影盒的光路圖

3 STEAM學習質量評價

STEAM教學是否達到了預期教學目標，需建立STEAM學習質量評價指標作為教學判斷標準，以基于深度學習的中學STEAM學習質量評價體系為基礎[2]，以該評價體系為基礎，結合本項目內容，將評價指標具體解構，如表2所示.

表2 “偽3D全息投影”學生實驗學習質量評價標準

續表2

4 教學啟示

4.1 以STEAM課程理念為藍本審視物理課程實施過程

STEAM課程理念強調綜合性知識、探究性過程及真實情景等往往需要花費時間，與家長、學生及領導對“高效”“高分”的功利追求相悖，讓中學物理教學退變成物理習題訓練，導致對STEAM教學理念的輕視和不顧，妨礙了STEAM課程理念的貫徹和落實． 由于師范教育沒有STEAM對應的專業，即便是科學教育類的綜合性專業也較少，目前不管從師資培養方案、課程設置、評價制度和教育現狀，都對STEAM課程發展不利，教師應克服課改的主觀或客觀的阻力，結合STEAM教育理念，審視教學設計、實施過程等各環節，積極落實STEAM教育理念和內容，轉變當前傳統分科教育模式．

4.2 STEAM理念與課改理念一致是中學生核心素養的實施路徑之一

2015年教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見(征求意見稿)》明確提出，有效利用信息技術推進“眾創空間”，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式[3]．STEAM課程是典型的融合課程，其多元化、跨學科、重實踐等課程內容和理念與新課程改革倡導的中學生核心素養的理念一致，它為物理學科核心素養的落實提供一個具體、可行的實施路徑，豐富了以核心素養為導向的教學策略和方法．

4.3 STEAM教育探索有利于科技創新人才的培養和本土化方案的生成

STEAM課程是在90年代后美國學生對科學興趣下降、理工科專業遇冷的背景下，作為美國國家戰略發展政策而提出，繼美國之后，英國、德國、芬蘭等都從國家人才戰略層面制定了STEM教育發展政策[4]，在當前沒有系統的STEAM國家課程和專業STEAM師資的條件下，結合本地特色資源積極開發學習化項目，推動STEAM課程本土化，主動承擔起為國家培養科技創新型人才的任務，積極探索符合中國國情的STEAM教學模式，為STEAM教育貢獻行之有效的教學方案．