STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的简称，STEM教育在美国已有较为成熟的理论研究成果和实践模式，而在我国正处于起步阶段。STEM理念的核心是通过跨学科知识和方法的整合解决真实情境的问题，STEM理念不是简单的四门学科交错一起，而是一种系统性的整合。探究性实验教学的本质是让学生面对未知的世界和遇到的困难，经历科学探究发现的过程，在猜想、假设、自主探究过程中构建知识和培养能力。本文以高中物理“探究汽车转弯”教学为例，按以下四个步骤探讨STEM教育与物理探究性实验教学的整合。
一、真实情境引入，提出探究目的
STEM教育研究项目来自于真实世界的具体问题。在“探究汽车转弯”课堂上，教师可先展示关于大货车转弯时发生侧翻的事故视频或照片，提醒学生仔细观察弯道方向和车辆的侧翻方向，并提出疑问：货车为什么会侧翻？有什么办法可以避免货车侧翻？
关于汽车侧翻交通事故，学生通过报纸、电视新闻等渠道应有所闻，但学生未必有留意对弯道及侧翻的方向进行对比观察。真实的情境，可以给学生视觉的冲击，使学生产生解答疑问的好奇心，激发探究动机。
二、科学知识剖析，明确探究方向
物理学科知识是实施STEM教育的重要载体，学科知识的应用是STEM教育的目标之一。学生首先应能透过现象理解其中蕴含的物理知识和原理，建立物理模型，即首先解决所面临的情境“是什么”和“为什么”的问题。通过教师的启发，学生不难说出，汽车转弯其实是看做圆周运动的一部分，由此所涉及到的物理学科知识有圆周运动、线速度、向心力、离心现象等。
由前面所学知识可知，向心力的计算公式F=mv2r，将此计算公式运用于实际问题，存在“供”与“求”的关系。由此公式计算得出的量是属于匀速圆周运动的“需求量”，而能否保持这样的状态做匀速圆周运动，需看外界对该物体向心力的“供应量”。如两者不等，会产生什么现象？由公式可知，汽车的质量很大，如转弯，向心力的需求量会很大，侧翻的原因究竟是什么呢？至此，学生的目光自然聚焦在汽车转弯时所需要的向心力来源上。
三、模拟实验探究，实现技术应用
受现实条件限制，我们不可能到货车侧翻现场进行勘察和测量，但可在课堂上采用探究性实验，模拟真实情境再现，模拟采取技术和工程设计方法解决遇到的问题，此环节主要是解决实践中“做什么”和“怎么做”的问题。为了让学生能逐步深入地探究未知问题，可设计以下环节。
1.制作模型
用适当厚度的硬纸皮做一倾斜凹型轨道（长度稍长，方便操作），另一张硬纸皮放在水平桌面上，将其中一边剪成圆弧形，如图1所示。并沿着圆弧的边缘画两条平行的曲线，两条平行的曲线模拟公路的转弯道。倾斜的凹型轨道底端与“转弯道”的一端连接，另一端抬高一定的高度并用支架固定，将一小球从斜槽某一固定位置滑下，到达水平面时获得一定的速度，用小球的滚动模拟汽车的运动。
2.实验探究
探究活动1：有什么方法可使小球沿着划定的路径转弯？你能想到多少种方法？
设计方案：在弯道外侧沿着边缘摆放一排积木，使小球从斜槽适当高度下滑，滑到水平弯道时，积木对小球的弹力提供转弯所需的向心力，使小球沿设定的路径转弯。改变实验条件引起现象的变化，可引发学生思维冲突，持续激发学生的探究热情，也是科学新发现的来源。接下来，将小球从斜槽的较高位置静止释放，当运动到弯道时，小球将积木推出到弯道外侧。接着，教师启发提问：“为什么会把小积木推出外侧？”此分析使学生加深了对转弯问题中向心力“需求量”与“供应量”关系的认识，增强了学生对汽车侧翻原因的直观认识。
探究活动2：如撤去积木，失去积木的弹力，还有什么方法可使小球转弯？
设计方案：沿着弯道的内侧曲线，将纸皮弯道外侧向上折起，弯道外侧底部塞入橡皮泥固定弯道的倾斜角度。此实验需两位同学配合，甲同学负责将小球多次从斜槽上固定的起点下滑，乙同学负责观察小球滑至转弯道的运动情况，通过挤压或填补橡皮泥的方法，多次调节转弯道的外侧倾斜度，直至小球刚好能沿倾斜的轨道完成转弯运动，用连拍相机可以拍摄到小球转弯运动的过程中的连续位置照片。
以上实验在其他条件不變的情况下，将小球从斜槽的较高位置静止释放，滑到水平面时，速度变大了，小球向弯道外侧方向偏离。可知，转弯轨道的外侧倾斜角度与小球运动速度须符合一定的对应关系，小球才能沿轨道转弯，具体关系如何，需要依靠物理原理结合数学工具进行精确分析和计算。
四、数学工具辅助，精确工程设计
数学运算能力是学生必备的基本能力，运用数学工具对实际问题进行分析计算正是STEM教育理念中强调的基本要求。回归到真实情境中，分析汽车转弯向心力的来源，如果转弯路面是水平的，向心力主要来源于汽车轮胎侧向摩擦力，侧向摩擦力产生的条件是汽车必须有向外侧滑动的趋势，显然会对汽车行驶造成一定危险。从模拟探究实验中，我们得出可以将转弯路面的外侧升高一定的高度，车辆行驶控制一定的速度，即可避免产生侧向摩擦力，实现汽车的安全转弯。
工程的设计，不是一次计算能够解决的问题，而是需要经历反复的运算论证，才能得出符合技术要求和实际应用的工程方案。在课堂教学中，可更换已知条件和情境，可让学生经历多种条件下的运算，也可采用函数分析、图像分析、计算软件辅助等多种方法处理数据，体验工程设计的严谨性和复杂性。
以“探究汽车转弯”为例，采取基于问题解决的学习模式，让学生经历从真实情境提出问题，融合科学、技术、工程知识和数学运算方法开展模拟实验的探究，设计出具体的解决方案。学习过程以物理知识为载体，以实验探究为主要途径，实现了STEM教育与物理学科教学的有机整合。
STEM教育并非生搬硬套地将四个学科知识简单叠加，也并非一定要分清四个学科的知识界线，强调的是跨学科知识的整合，注重的是科学与工程技术的相互促进，目标是培养解决真实世界复杂问题的综合能力。
责任编辑 钱昭君
