基于STEM 教育的物理學習：STEM教育與傳統(tǒng)學科融合的一種嘗試

鮑建中

一組數(shù)據(jù)顯示，浙、滬兩地新高考物理學科“遇冷”——2017年高考浙江全省有29.13萬考生，但是選考物理的只有8萬人；在上海，實行新高考改革第一年，選擇物理科目的考生也僅占總?cè)藬?shù)的30%。除了其他一些原因，學生對物理學科缺乏興趣也是物理學科“遇冷”的重要原因。如何激發(fā)傳統(tǒng)學科的活力，引發(fā)學生的學習興趣，是每一個傳統(tǒng)科學學科需要思考的問題；另一方面，STEM教育如何利用傳統(tǒng)學科的優(yōu)勢和資源打牢根基，也是人們在推廣STEM教育時應該思考的問題。筆者認為基于STEM 教育的物理學習是STEM教育與傳統(tǒng)學科融合的一種嘗試，也是一種相得益彰的路徑。

物理學研究的是所有物質(zhì)最基本的運動規(guī)律，是其他自然科學的基礎(chǔ)。在人們探索物理規(guī)律并運用這些規(guī)律的過程中，飽含了豐富的探索研究問題的科學方法與智慧，為了讓學生在經(jīng)歷知識建構(gòu)的同時掌握科學方法養(yǎng)成科學思維的習慣，現(xiàn)代物理學習特別提倡做中學、玩中創(chuàng)的教育理念。這種教育理念和STEM 教育的初衷一脈相通，在初中階段探索基于STEM 教育的物理學習方式，對實現(xiàn)提升科學素養(yǎng)的教育目標有著非常重要的意義。

STEM教育與物理教育的比較

為更好找到STEM教育和物理教育的結(jié)合點，我們結(jié)合全日制義務教育物理課程標準和收集到的STEM教育的相關(guān)資料進行以下簡單的比較。

國際上普遍認為，基本科學素養(yǎng)的主要內(nèi)涵包括三個方面：（1）對科學知識（科學術(shù)語和科學基本觀點）；（2）科學方法；（3）科學技術(shù)及其對社會和個人所產(chǎn)生的影響。其中涵蓋了解決問題的能力，所以不難看出STEM教育和物理教育的學習目標幾乎是一致的，只是STEM教育更側(cè)重于實踐和問題的解決，物理教育則側(cè)重于物理知識的建構(gòu)和探究。但隨著社會的發(fā)展和物理教育理念的轉(zhuǎn)變，物理學習不再是單純的證實或證偽的知識學習，而是更加關(guān)注知識的建構(gòu)過程，即從生活常見的現(xiàn)象入手發(fā)現(xiàn)提出可探究的問題，進而開展科學探究自主建構(gòu)知識，然后運用所獲知識解決實際問題，甚至創(chuàng)新設(shè)計制作出有一定實用價值的器物。在整個學習過程學生就像科學家一樣經(jīng)歷著問題的提出、探究方案的設(shè)計、實驗探究、科技創(chuàng)新，體驗者科學探索的艱辛和興奮。其中既有科學知識的學習建構(gòu)，又有在知識學習的基礎(chǔ)上運用技術(shù)、工程和數(shù)學的創(chuàng)新和實踐，所以，從某種程度上說物理學有著豐富的STEM教育素材，物理學習過程應該是更完整的STEM教育。正如法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應進而發(fā)明電動機，瓦特看到壺蓋跳動進而改良蒸汽機，這些科學家從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明的過程不是只有物理，而是徹徹底底、完完整整的STEM，將STEM教育的理念與物理教育有機的融合才是真正的物理學習！

基于STEM教育的物理學習設(shè)計

基于STEM教育的物理學習實質(zhì)就是更加注重學生實踐的學習，在物理學習的過程中融入工程、技術(shù)和數(shù)學相關(guān)內(nèi)容，倡導問題導向、任務驅(qū)動、做中學、玩中創(chuàng)的學習理念，學生學到的不只是物理概念、規(guī)律、方法、科學思維，不再只是滿足好奇心，而且還有他們自己的創(chuàng)新發(fā)明成果（創(chuàng)新實驗方案、自制教具、小發(fā)明、小創(chuàng)造等），讓學生看到的是完整的真實物理，體驗到物理學的發(fā)展對人類社會的進步產(chǎn)生的巨大作用。為了達到以上的教學效果，主要做了以下工作。

確定研究問題，形成校本教材

物理學有自身較為完整的知識體系，教材的編寫一般也是按照這一體系編寫的，在學習的過程中通常從最基礎(chǔ)的知識開始，逐步完善，最后形成完整的知識體系，即從局部到整體的學習，其優(yōu)點是每一知識點的問題較小、困難小、便于學生理解，但是學后學生往往會產(chǎn)生“為什么要學習這些知識”“學后這些有什么用”的疑惑，造成目的不明確、被動學習的結(jié)果，不太適合開展STEM教育。因此我們嘗試整合了現(xiàn)有物理教材，逐步形成適合開展STEM教育的校本教材。首先確定學習主題提出明確的研究問題，布置課題任務，提供相應的器材和材料，小組成員合作完成任務，反饋交流任務成果，改進完善成果。以內(nèi)燃機的學習為例，教材編寫主要突出以下幾個環(huán)節(jié)。

1.主題任務：認識內(nèi)燃機及其工作原理；

2.做一做：利用一次性注射器、壓電陶瓷點火器、酒精等器材制作一個酒精槍；

3.議一議：注射器的活塞為什么會被打出去？

4.想一想：要想使活塞再次發(fā)射出去，應該解決哪些問題？如何解決？

5.看一看：小型單缸四沖程汽油機有哪些部分組成？它是怎樣工作的？

6.我能行：安裝小型單缸四沖程汽油機模型；

7.我最棒：展示介紹自己的任務成果，分享學習收獲。

我們認為STEM教育教材的編寫，應該使學生對主題任務有一個整體了解，然后為了完成任務將主題任務分解為一個個需要解決的問題，在問題解決的基礎(chǔ)上達到提升科學素養(yǎng)的目的。在學習中學生經(jīng)歷的是從整體到局部，再由局部到整體的認知過程，更有利于學生帶著問題和任務有目的地學習，學生學習動力更足、成就感更強。

激發(fā)學習興趣，保護培育好奇

初中生已經(jīng)具備了基本的數(shù)理推導、圖形設(shè)計的相關(guān)知識以及小學科學基本知識，他們對生活中眾多的物理現(xiàn)象充滿了好奇。神奇的有趣的現(xiàn)象、具體實在的器具，制作、設(shè)計、探究的過程等好玩有趣的事情都能深深吸引著他們。滿腦子的“是什么、怎么樣、為什么”是他們努力前行的原動力，教師的工作就是要激發(fā)出他們腦子中更多的問題，讓他們的好奇心求知欲長存。為此基于STEM教育的物理學習設(shè)計中的資源選取要特別注重趣味性和參與性，讓每一位學生利用簡單的器材都夠完成，并從中學到知識掌握方法。

比如在摩擦力主題學習時，可以在學生體驗環(huán)節(jié)上設(shè)計“直繩提瓶（一根沒有打結(jié)的繩子，插入瓶中后翻轉(zhuǎn)后再正過來，拉住繩子瓶子不會落下。）”“落、停自如的小球（一根細繩從球中穿過，兩手分別拉住繩子兩端，小球可以在你的指令下停在繩子的上或下滑。）”等小魔術(shù)，以及“奇怪的拔河比賽（一位大力士男生與一位小女生用一根金屬桿拔河，結(jié)果男生竟輸給了女生！）”“抓碗比賽（兩只相同的碗倒扣在桌面上，讓一位大力士男生與一位小女生分別去抓這兩只碗，男生怎么也抓不起來，女生反能輕松抓起！）”等參與性游戲，讓學生在做中認識摩擦力，在玩中體驗摩擦力，再帶著自己的問題和猜想探究影響摩擦力大小的因素，最后制作“氣墊光盤（將光盤和氣球組裝在一起，模擬氣墊船的工作原理。）”“向上爬行的小木板（一根繩子依次穿過粘在木板面上側(cè)立的四個螺母，再將繩子的中間掛在鉤子上，交替拉動繩兩端，木板自動上行。）”。

問題引導學習，任務驅(qū)動發(fā)展

提出可探究的科學問題不僅可以看出一個人的科學素養(yǎng)水平，也是科學研究和學習的開始，所以基于STEM教育的物理學習應特別關(guān)注激發(fā)學生的問題。通常可以采用類比、逆向思維、神奇的現(xiàn)象引導學生提出問題，比如可以類比機械能幫助學生建立內(nèi)能的概念，并提出“物體內(nèi)能與分子運動速度有什么關(guān)系？”等問題；奧斯特實驗說明了電流周圍有磁場，運用逆向思維，便可提出“利用磁場能產(chǎn)生電流嗎？”；通電后喇叭可以發(fā)聲，老師將喇叭接入擴音器的話筒插口，再對著喇叭說話，擴音器竟發(fā)出了說話聲！這種神奇的現(xiàn)象激發(fā)出學生強烈的探究欲望。

STEM教育最突出的特點就是要解決具體問題，所以，在提出問題的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計實驗方案、探究物理規(guī)律，運用規(guī)律開展發(fā)明創(chuàng)新都是具體問題，用這些任務驅(qū)動學生學習會使他們感到學而有物、學而有果，讓他們真切體驗到成功的愉悅從而樹立自信。比如，在電磁作用主題中，學生利用飲料瓶、磁鐵和線圈制作了揚聲器，還有的同學將磁鐵隱藏起來，線圈繞在硬紙板面上，當連接音箱的硬紙板靠近磁鐵時，紙板便會“唱歌”！做成了一個名副其實的魔術(shù)道具。

基于STEM教育的物理學習前景

融入STEM教育的物理學習是對當前物理教與學的嘗試和探索，是在杜威的“做中學”教育思想基礎(chǔ)上的教育實踐的研究，這種物理學習方式最大現(xiàn)度地保持了學生的好奇心，發(fā)揮了學生的主體作用，給予了學生充分的學習、創(chuàng)新空間，有利于學生科學素養(yǎng)的提升和個性發(fā)展。更加令人高興的是，各地的中高考物理試題也正朝著開放、創(chuàng)新、實踐性更強的方向改進，必將會有力地推動STEM教育在物理學習過程中的融合與發(fā)展！

作者單位：北京教育學院附屬豐臺實驗學校分校endprint