2.1.2　一个优秀案例展示

我们先来观摩一个优秀的STEM教育案例，通过分析案例来归纳出STEM教育的相关特点。

案例名称：“重现富兰克林的风筝实验”项目式学习(1)

执教者：韩叙虹，北京市第八十中学，教育硕士，物理特级教师，北京市正高级教师，硕士生导师

基于物理核心素养的STEM主题课程的教学目标：

1．物理观念

（1）能用共点力的平衡条件，分析风筝的平衡问题。

（2）了解静电现象，能用原子结构模型和电荷守恒的观念分析静电现象。

（3）了解生产生活中静电的利用与防护知识，培养学生的物质观念、运动与相互作用观念。

（4）观察并能识别常见的电路元器件，了解它们在电路中的作用；会使用多用电表。

（5）能分析和解决电路中的简单问题，能将安全用电的知识应用于日常生活实际。

2．科学思维

（1）体会富兰克林风筝实验过程中的科学思想和方法，促进科学推理思维的发展。

（2）经历复原富兰克林风筝实验验证的论证过程，促进科学论证思维的发展。

（3）经历复原富兰克林风筝实验的设计过程，促进质疑创新思维的发展。

3．科学探究

经历复原富兰克林风筝实验的设计、验证过程，能应用控制变量的方法制订科学探究方案，能合理地选择、使用实验器材进行实验，获取实验数据；会处理实验数据以获得结论；会判断实验数据的可靠性，能修改完善实验方案；提高科学探究能力。

4．科学态度与责任

（1）通过学习电学内容，培养解决实际问题的能力。

（2）了解科学研究方法在物理学中的应用，体会物理研究对简化的追求。

（3）经历复原富兰克林风筝实验的设计、验证过程，渗透实事求是，基于逻辑和证据，发表科学见解和评价别人的观点。

（4）学会与他人合作，合理分工、协作，共同完成学习任务。

主题课程的设计思路：

课程以复原富兰克林的风筝实验的项目式学习展开，以小组合作学习的方式，通过基于工程的学习，运用数学、科学的知识科学探究，设计解决方案，亲自动脑动手，通过技术达成目标。

主题课程的描述（见图2-1）：

主题课程的教学过程：

第一阶段：富兰克林风筝实验方案的解读和准备

（1）课题引入，播放动画短片：课本上富兰克林的故事。

（2）发放富兰克林风筝实验方案的资料，学生分组，任命小组长，采取小组合作学习的方式，要求学生阅读资料、翻译，依照富兰克林当年的设计方案，各小组讨论复原实验的关键点，设计复原风筝实验的关键问题。

（3）统一各小组意见，确定以下3个关键问题。

问题1：风筝能把天上的电导下来吗？

问题2：铜钥匙是否能产生电火花？

问题3：放风筝的人是否会发生触电事故？

（4）针对以上3个问题，各组设计实验方案。

设计意图：通过阅读、翻译实验方案，探讨复原实验的关键点，从而设计复原实验解决的3个关键性的工程问题，经历问题设计过程，让学生体会要解决一个项目需要经历的一般流程，特别是如何合理地分解项目，学会提出问题，搭好项目的“脚手架”是多么的重要。

第二阶段：风筝的制作与试飞

这个阶段历时2周，在查找文献等参考资料的基础上，学生讨论制作风筝所需的器材及材质，确定用防水布代替原方案中的绢丝作为风筝面，用麻绳做风筝线，风筝的形状为菱形。上网购买风筝配件，利用选修课的时间在实验室制作风筝，并在校园操场试飞。在开始的试飞中，学生自制的风筝均出现骨架断裂而落地，后经不断地改良和调整，两周后，学生终于能将绘着校徽图案的风筝放上天空。

设计意图：让学生学习运用力学的平衡原理，借助数学的工具，研究风向和升力之间的关系，测算并确定风筝的材质和配件，以及风筝的大小和形状等；让学生亲自动脑动手制作风筝，既要遵从原实验方案的精神，又要有开拓创新精神，对风筝进行改良；另一方面，让学生自己制作风筝和放飞风筝本身就是技术上的一大考验，有助于培养学生实验操作的能力和分工合作的精神。

第三阶段：在校园里复原富兰克林风筝实验

（1）解决问题1：风筝能把天上的电导下来吗？

探究实验1：多用电表置于200mA的电流档，将电表的一只表笔缠在干燥的风筝线上，另一只表笔握在同学手中，两位同学合作放飞风筝，测算当实验者跑动的过程中，电流表是否有读数，以判断风筝线中是否有电流经过。实验现象：有极其微弱的电流经过，约1mA。学生解释：风筝在晴朗的日子里，因为与周围空气摩擦而带上静电，但由于干燥的风筝线是绝缘体，故电流微弱到可以忽略不计

探究实验2：打湿风筝线，重复实验1。

实验现象：有微弱的电流经过，约2mA。

学生解释：由于风筝线有一定的导电性，故能测到电流，但由于摩擦生成的电荷量太少，放电较快，故电流仍微弱，需要增大风筝的带电量，但至少说明风筝的确能把天上的电导下来。

（2）解决问题2：铜钥匙是否能产生电火花？

探究实验3：风筝尾端系着铜钥匙，让风筝放飞稳定后，观察铜钥匙是否发光出电火花。

实验现象：铜钥匙不发光，用手触摸也无触电感。

探究实验4：打湿风筝线，重做实验3。

实验现象：铜钥匙不发光，用手触摸，有微弱的触电感（有学生描述是如针尖拂过手背的感觉）。

学生解释：电流太小，不足以使铜钥匙产生电火花，打湿的风筝线有微弱电流通过，产生微弱的触电感。建议增大风筝的带电量，有可能使铜钥匙发出电火花。

探究实验5：实验室模拟风筝装置，用高压静电起电器起电，产生几万伏的高压，将风筝悬挂在高处，筝线尾端仍系着铜钥匙，起电器的一个电极与风筝顶的铁丝相连，高压起电击中风筝，观察铜钥匙是否发光。实验现象：铜钥匙不发光，学生触摸铜钥匙，没有触电感。

探究实验6：将风筝线打湿，且在铜钥匙的旁边系上丝线，重做实验5。

实验现象：铜钥匙不发光，但丝线张开，表明风筝线通过电流，但电流不足以使铜钥匙发光。

探究实验7：将风筝线换成铁丝与高压起电器直接相连，重做实验5。

实验现象：铜钥匙不发光。

探究实验8：将另一把铜钥匙与高压起电器的另一极相连，靠近铜钥匙，重做实验7。

实验现象：黑暗中，两把铜钥匙之间发出了蓝紫色的光。

学生解释：铜钥匙发出了光，但并不是严格意义上的铜钥匙发出电火花，而是尖端放电。理由：两把铜钥匙之间有很高的电压，彼此又靠得很近且形状很尖锐，使得铜钥匙积聚了足够多的电荷，促使它们之间的空气电离，从而产生尖端放电现象。学生探讨，对富兰克林的风筝实验的真实性产生质疑，形成两种意见。

观点1：富兰克林风筝实验是假的，如果铜钥匙能发出电火花，可见当时的闪电级别非常高，那么在把电流导下来之前，风筝面早已烧掉，风筝线也早已烧断，那么电又如何导得下来？

观点2：富兰克林风筝实验是真的，只要闪电的级别够高，电量够足，即使风筝面烧掉，但风筝线未必烧断，因为风筝线烧断是依赖电流的热效应，而闪电只是瞬间高压，是可以看到铜钥匙发出电火花的。

（3）解决问题3：放风筝的人是否会发生触电事故？

学生原文翻译富兰克林风筝实验，指出，富兰克林实验是在一个小木屋中进行：风雨交加的夜晚，电闪雷鸣间，而风筝早已被屋外的人高高地放在天上，而风筝线由屋外的人通过绝缘的小窗户递给屋内的人，因此屋内的人和风筝线的尾端都是干燥的，属绝缘体，当闪电击中风筝的时候，电流通过户外的风筝线，使铜钥匙发出电火花。

学生自制模拟小木屋，在木屋的地面上铺上厚厚的蜡块，解释做风筝实验时，人要站在蜡块上能起到安全保护的作用。

设计意图：本阶段属于典型的基于问题解决模式的科学探究实验过程：实验，观察，质疑，解释；再实验，观察，解释……在一轮又一轮的实验改良探索中，学生的热情高涨，思想的火花不断被激发，不断激励着学生勇于探索、大胆尝试，探究过程充满了理性的力量和思辨的光芒，大大提升了科学思维的论证能力和质疑创新的精神。

第四阶段：国家电网特高压实验基地重现富兰克林风筝实验

为了获取与闪电最接近的真实效果，风筝实验移师到国家电网特高压实验基地重现。利用充满电荷的11只大电容串联，释放出高达2400千伏的瞬间高压，击中风筝，实验分三种情形进行：①用干燥的风筝线；②用打湿的风筝线；③用长铜线代替风筝线。前两种情形下，都未能观察到铜钥匙发光，闪电都选择就近的路线从地面导走。在第三种情形下，闪电过处，流经假人的瞬间电流高达200多安培，铜钥匙终于发出电火花，如图2-2所示（此刻，在场所有人的内心都被深深地震撼）。历经三周的实验探索，历经艰辛，终获圆满成功。

设计意图：用最接近真实的科学实验来探索未知，尊重事实，实事求是，追求真理，是每位从事科学教育工作者都应该有的职业操守。科学的艰辛和来之不易的成果，以及经过层层探索之后体验到的科学之美，深深地感染到每一个人，接受科学的“洗礼”，激发好奇心、想象力和创新思维，会使我们的学生感到科学原来有着如此美好的秉性，从而更加钟爱科学，更有激情地去学习科学。

教学反思：

经历过复原富兰克林风筝实验项目学习的师生们，深深地体会到探索的艰辛和科学的魅力。STEM教育是注重体验性的。我们第一次如此深刻地理解了什么是科学？什么是真理？正如著名物理学家丁肇中教授所说：“所有的自然科学都是实验科学。实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验。因此实验对于自然科学来讲非常重要。”对之前的猜想进行验证，正是基于一次次的科学探索，一次次的实验论证，在一轮又一轮的实验改进中，从而更真实地接近科学的真相。直至最后一刻，看到铜钥匙发出金黄色的电火花的时候，我们为科学之美深深地折服。它之所以如此绚烂，还在于我们重走了科学家之路，经历了艰辛的探索过程：一次次的失败，再一次次的努力尝试，直至成功时的喜出望外。有人说，STEM教学强调的是培养学生“带走的能力”，而不是“背不动的书包”，这正是STEM教育的意义之所在。通过基于项目学习过程，基于问题的模式的运用，是提高学生创新能力的有效途径：一方面，使学生积极主动地参与到学科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，训练和培养学生的创新思维能力和质疑精神；对于物理教师而言，应该积极鼓励学生发现问题，并结合物理知识，通过思考钻研，想出解决问题的方法。这样做不仅使学生对学科知识能有更进一步的了解和掌握，同时也使他们学会如何将所学的知识有效地应用到实践中，达到学习和实践结合的真正目的。