优秀STEAM案例 | 北京磁悬浮列车S1线科学探秘

笔者以北京石景山模式口古道为背景，基于STEAM理念在北京首条磁悬浮列车S1线上展开了物理学科实践活动，让学生学以致用，感受物理学的魅力。

课程内容与结构

课程内容

笔者所在的北京市第九中学地理位置得天独厚，老舍笔下《骆驼祥子》中远近闻名的驼铃古道就是如今的模式口街。此街自古以来就是一条交通要道，北京首条磁悬浮列车S1线就建在模式口附近，为引导学生回顾交通的变迁，弘扬地域文化，加深爱国情怀，笔者基于STEAM教育理念开展探究磁悬浮列车的教学。学生用已掌握的实验技能和物理知识，尝试应用科学探究的方法研究身边的物理问题，解决问题。

STEAM教育可以是一个学科的应用，更多情况下是多学科融合。对于此次实践活动，笔者采用以STEAM教育理念为基础的跨学科项目式学习的形式，将信息技术贯穿整个研究过程并使之与高中阶段的数学和心理人文学科内容完美结合（如图）。

STEAM教育理念下磁悬浮S1线物理学科实践活动涉及学科知识

课程结构

2017年年底，北京首条中低速磁悬浮列车S1线正式开通，设计时速100km/h。列车运行时，靠电磁铁与轨道产生的电磁吸力使列车浮起，不会出现车体与轨道激烈的摩擦声。与普通地铁相比，磁悬浮交通拥有众多优点。大部分学生根据已学知识对S1线的加速度、向心加速度、运动情况和磁场等物理知识表现出浓厚兴趣，部分学生还想了解S1线的外观设计以及人文关怀。笔者最终确定了STEAM教育理念下跨学科物理学科实践活动课程结构。

STEAM教育理念下跨学科物理学科实践活动课程结构

课程实施

笔者为学生提供如下实验器材：导轨、小车、速度传感器、笔记本电脑、一盒水、蓝墨水、摆球装置、乒乓球、摄像机等。笔者将学生分成5个小组，让他们参与磁悬浮S1线物理学科实践活动，各组自主研究具体的课题。

1.探究S1线启动时的加速度大小（第1组）

笔者让第1组学生参考《物理通报》相关论文，用速度传感器法和水面法做实验。速度传感器法：学生利用实验室中探究牛顿第二定律的实验仪器，将导轨平放在地面上，然后将小车上安装速度传感器放置于导轨最前端。当列车启动时，小车获得与列车相同的加速度开始运动。学生通过数据采集器采集列车启动时的速度随时间的变化数据，通过电脑中的数据处理软件DISLab绘制v-t图像，获得S1线启动时的加速度。水面法：学生准备透明正方形盒子，装入矿泉水。为使实验效果更易观察，学生在水中滴入几滴蓝墨水。盒子被平放在地面上，当列车启动时，盒中的水会获得与列车相同的加速度，液面开始倾斜。学生用数码相机拍摄列车启动时液面的变化情况，用数学方法计算加速度。学生随后进行数据处理，利用速度传感器测得a≈0.73m/s2，用水面法测得a≈0.68m/s2，并对数据进行误差分析，发现误差原因：列车出站时不是匀加速直线运动；测量结果为瞬时加速度而不是平均加速度。课堂上学生的展示与汇报工作有3项：叙述实验方案的选取过程；展示速度传感器的构造以及探测加速度的原理和结果；展示水面法实际操作视频和实验结果。

2.探究S1线启动时的加速度（第2组）

笔者让第2组学生用摆线法探究S1线启动时的加速度。笔者为学生准备了铁架台、细线和小球，供学生制作单摆模型。单摆模型被平放在地面上，当列车启动时，小球会获得与列车相同的加速度开始远离铁架台向后摆动。学生用数码相机拍摄列车启动时小球摆动情况，用数学方法计算加速度，随后对数据进行处理，用悬线法测得a≈0.98m/s2。他们分析造成误差的主要原因有：测量结果为瞬时加速度而不是平均加速度；列车在不停晃动。课堂上学生的展示与汇报工作有3项：叙述实验方案灵感来源；展示实验视频，介绍仪器装置，抽象成物理模型，进行受力分析，得出结果；分享感受。

3.探究S1线转弯时的向心加速度（第3组）

笔者引导第3组学生用悬线法探究S1线转弯时的向心加速度。学生利用铁架台、细线和小球，制作单摆模型，将其平放在地面上。当列车转弯时，小球会远离平衡位置开始摆动。学生用数码相机拍摄列车转弯时小球摆动情况，用圆周运动向心加速度公式计算S1线转弯时向心加速度。为对比实验数据与理论数据，学生找到S1线运行的卫星图，根据图片数据算出结果，随后对数据进行处理：利用悬线法测得a≈1.4m/s2，测之前预估a≈1.5m/s2。学生分析造成误差的主要原因：测量结果为瞬时向心加速度而不是平均向心加速度；列车在不停晃动。课堂上学生的展示与汇报工作有3项：根据卫星图预估数值；展示利用悬线法测量的视频，介绍如何做受力分析求向心加速度；比较实验结果与预估数值。

4.探究不同参考系下小球自由下落的运动情况（第4组）

为研究不同参考系下小球自由下落的运动情况，第4组学生做了3组对比实验：列车静止时释放小球观察小球运动情况；列车匀速行驶的状况下人在车内观察小球运动情况；列车匀速行驶的状况下人在车外观察小球运动情况。学生用数码相机拍摄慢动作小球下落情况，用Tracker软件追踪小球的运动轨迹并用物理知识分析其运动。为验证实验的正确性，学生用模拟软件Mathematica进行理论模拟。车静止时，小球做直线运动。车匀速车内观察时，小球做直线运动。车匀速车外观察时，小球做曲线运动。学生误差原因是将列车刚刚出站时的运动近似看作匀速运动。课堂上学生的展示与汇报工作有两项：说明研究内容来源于一道题；分别展示这3种情景下拍摄视频，观察小球的运动轨迹并结合画图软件得到的理论模型，利用物理知识从3个角度分析小球运动的原因。

5.探究S1线的人文关怀（第5组）

S1线的设计在哪些方面体现了人文关怀，第5组学生做了深入探究。他们在课堂上展示了S1线的设施照片，包括车门标、座位、灭火器、呼吸机等，说明S1线基础设施完善，满足乘客多样化的需求，非常人性化。此外，研究S1线磁悬浮列车的磁场强度，比吹风机的磁场强度还小，乘客可以放心乘坐。学生随机采访乘客，发现S1线的开通运行让人们出行更加便利。。

文章来源：中国知网

文章原名：

《融合STEAM理念和地域文化的物理教学——北京磁悬浮列车S1线科学探秘》，文章有删减

作者：武震 李学 庞峥 北京市第九中学

转自：STEAM教师

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原标题：《优秀STEAM案例 | 北京磁悬浮列车S1线科学探秘》

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