【高中物理教学论文】基于 STEAM 理念下高中物理项目化学习的实践探索——以“轻量化承重四面体的设计和制作”为例

摘 要：基于 STEAM 教育理念，构建“问题驱动—理论建模—实验探究”的项目化学习模式，是高中物理教学中培养学生科学素养的新路径。校本课程实践发现，结构工程项目化学习任务是最有效载体。以“轻量化承重四面体的设计和制作”项目为例，通过真实任务情境创设—受力分析方案设计—制作模型实验验证的项目化学习任务，有助于整合学生跨学科知识，提升迁移应用能力，培养综合科学素养。

关键词：STEAM 教育理念；项目化学习；实验探究；科学素养培养

STEAM 理念强调以现实问题为指导，跨学科中培养学生解决问题的科学精神和创新能力，近年来引起了全球教育界的关注。项目化学习被广泛认为是非常适合 STEAM 的学习方式。通过完成工程项目的设计制作任务，促进学生对于多学科知识融会贯通，提高实际应用能力和创新能力。[1]STEAM 理念与 2020 年修订的高中物理课程标准中“形成物理观念、运用科学思维追求科技创新、具有科学探究意识、认识科学·技术·社会·环境的关系，促进物理学科核心素养的养成和发展”[2]的目标不谋而合。

在校本课程的教学实践中，发现桁架受力结构是一个很好的项目载体。本文阐述的“轻量化承重四面体的设计和制作”的项目化学习，通过“真实情境创设—受力分析方案设计—制作模型实验验证”，不仅紧扣高中物理必修 1 第 3 章“相互作用与力的平衡”教学目标，充分体现了 STEAM 理念，有助于学生理解掌握力学知识和培养学生动手实践能力、探究能力，而且项目任务难度适当，所需教学资源容易准备，为破解 STEAM 教学“重设备轻思维”的困境提供了新思路，在高中物理教学中具有典型推广意义。

1 选择项目任务的背景

1.1 基于基本学情

高一学生刚刚学习了力的合成、分解以及力的平衡，掌握了简单的力学以及空间几何知识，但是基于实际问题进行受力分析计算比较稚嫩，也缺乏从理论知识到实践应用的设计制作经验。所以需要寻找一个项目任务，能够整合学生对高中物理力学知识、数学空间几何知识的理解，培养初步的工艺技能和实验动手能力，同时又要考虑到学生初次设计制作结构，难度不能太高的实际情况。校本课程以正四面体结构为项目任务，正是考虑到这是现实场景中常见结构的简化模型，涉及生活中常见的力和立体空间的受力，适合高一学生基本学情，同时项目任务以轻量化作为考核标准，具有一定的探究性和挑战性。

1.2 基于培养目标

项目任务中，在受力分析时，需要对空间几何知识以及对力的合成、分解、物体平衡的理解，并将力学知识与实际应用紧密结合，在设计建模时，涉及杆件尺寸的选择，桐木条强度的考虑，以及解决压杆的屈曲失稳问题，需要胡克定律的知识迁移，需要学生们进行实验探究。在模型制作时，需要学生们具有一定动手能力和团队精神，最后成果交流及加载试验时，需要学生们进行总结归纳和拓展反思，同时促进学生他们后续的持续探究。

2 设计制作承重四面体结构的教学过程

2.1 情境引入

教师：生活中存在着各种承重结构，今天我们来认识和了解这些承重结构，并自己亲自动手来设计制作一个承重结构。

从与四面体承重结构相似的相机三角支架为情境引入，实物展示教室里的相机三脚架（如图 1 所示），图片展示工程中的桁架结构承重台（如图 2 所示）。相机三脚架是简单的承重四面体，桁架结构承重台是现实生活中常见的、较为复杂的承重结构。

2.2 布置项目任务

项目任务：根据提供的材料设计制作边长为 100 mm 的空心正四面体，要求模型结构尽可能轻量化，放置在水平面上时顶部能承受 50 N 的作用力。

提供的材料和工具：主体材料：截面为 1 mm×55 mm、截面为 2 mm×2 mm、截面为 2 mm×4 mm、截面为 2 mm×6 mm、截面为 5 mm×8 mm 的桐木条若干，每根木条长度为 11 cm；粘合剂：502 胶水一瓶；制作工具：美工刀一把、剪刀一把、砂纸一张、三角尺一套；加载砝码：便于置于四面体顶端的加砝块 5 个，每个 1 kg。

2.3 进行受力分析

教师：空心四面体承重时，各根杆件承受的是拉力还是压力？各杆件所受的力有多大？为便于分析计算，由杆件连接的四面体如图 3 所示，假设四面体边长为 L。

学生们结合物理课本必修 1 第 66 页上的体验活动，辨析各杆件受到的是拉力还是压力，引导学生处理杆件的受力问题。该环节需要用到受力平衡的概念和立体几何的知识。

首先，利用空间立体几何知识，计算出四面体的高为

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