STEM活動教學對培養物理核心素養的價值探討
——以閉合電路歐姆定律為例

梁沛林

(深圳市西鄉中學 廣東 深圳 518102)

1 前言

STEM：指融合了Science(科學)、Technology(技術)、Engineering(工程)、Mathematics(數學)的綜合教育方法，形式上表現為“做中學”，從解決實際問題出發，在實踐中掌握知識，提高能力.在教學上，STEM一般采用以解決工程問題為主線，基于項目的學習方式.通過背景經驗活動把工程問題與相關聯的科學原理、科學探究、工程實踐結合起來，形成一個有機整體[1].

學生在開展探究與實踐的過程中，能夠體會到學習知識與技能的目的是解決實際工程問題，從而培養科學態度與責任，同時在實踐的過程中提升能力.1986年美國國家科學委員會發表《本科的科學、數學和工程教育》報告，標志著STEM概念的形成[2].

2006年1月31日，美國總統布什在其國情咨文中公布一項重要計劃——《美國競爭力計劃》(American Competitiveness Initiative，ACI)，提出知識經濟時代教育目標之一是培養具有STEM素養的人才，并稱其為全球競爭力的關鍵.2016年我國教育部出臺的《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出:有效利用信息技術推進“眾創空間”建設，探索STEM教育、創客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創新意識[3].

STEM從實踐中習得技能,提高能力培養科學素養的教育理念，對以物理核心素養為核心的新一輪課程改革是有借鑒價值的.學生根據任務的需要，通過互聯網等信息技術手段獲得信息，有目的地學習概念，掌握規律，并應用規律，能夠更好地幫助學生建立物理觀念.學生從問題情境出發，提取出核心問題和主要過程，經過簡化抽象出物理模型，再經過分析推理，結合實際條件形成解決問題的方案，再通過科學論證，判斷方案的可行性，從而培養科學思維.根據實踐方案，經過合作探究、溝通、評價和交流取長補短，形成更優化的解決問題的思路，此過程能夠很好地體現科學探究素養.因此STEM引進來對中國的基礎科學教育具有重要的借鑒意義，對培養創新型的理工科人才具有積極的作用.目前國內有不少關于STEM的研究，然而，基本上都是停留在理論探討層面上的綜述文章，并沒有涉及實踐課例.同時目前國內的STEM課程主要由校外培訓機構承擔，針對基礎教育的中學課堂中引入STEM概念的教學實踐很少.

2 基于STEM活動教學的物理課例

嘗試把STEM的教學思路遷移到高中物理教學中，在實踐中發現其對學生物理核心素養的培養有很大的幫助.以一節STEM教學思路設計的“水果能供電嗎？——探討閉合電路歐姆定律”的課堂教學為例，談STEM教學思路對物理核心素養培養的價值.閉合電路歐姆定律是高中物理電路模塊中的核心知識，也是電路模塊教學中的難點.閉合電路歐姆定律的核心內容是提出了內外電路的概念，其教學難點是讓學生發現并接受電源內部存在內阻.

STEM活動教學的出發點是解決問題，從遇到問題出發，通過多種途徑(不局限于課堂學習)收集信息，整合資源，學習新概念和新知識，應用新知識制作作品解決問題，遇到問題立刻反饋，再次搜索資源修正方案并最終解決問題.教學流程如圖1所示.

圖1 STEM活動教學流程

(1)待解決的實際問題：通過水果、鋅片、銅片等材料給LED燈供電，讓LED燈發光；

(2)收集信息并篩選有用的信息學習；

(3)遇到問題：發現LED燈不發光；

(4)再次收集信息，學習內外電路知識，了解內電阻對電路造成的影響；

(5)學生交流、討論、想辦法減小電池內阻；

(6)完成任務.

表1從物理核心素養的4個方面探討了STEM活動教學對物理核心素養的培養價值.

表1 STEM活動教學對培養物理核心素養的價值

3 STEM活動教學的教學反思

從知識要求上看，STEM活動教學融匯了物理、化學、生物等學科知識，各學科知識需要綜合運用.例如制作水果電池需要用到化學原電池的原理，需要了解水果果液的電解特性，更需要知道物理中電動勢、電阻等概念，以及電壓表、電流表等物理器材的使用，其綜合性遠高于傳統授課和實驗探究教學.然而，盡管STEM活動教學是淡化學科界限的綜合教育方式，但是，目前STEM在中國還是起步階段，在教學中還不適合多學科學習，更多的是在某一學科的基礎上融合.它強調主題下面的主概念和主概念下面的跨學科技能.

美國緬因州的貝瑟爾(Bethel)國家培訓實驗室發現的“學習金字塔”，如圖2所示，顯示了學生在不同學習方式下學習，經過24 h后(有的是2周后)，對學習內容的可回憶百分比.對照金字塔中的學習方式，傳統講授主要集中在聽講、閱讀、視聽結合以及示范，均處于淺層學習階段；而實驗探究教學中，學生的學習涉及討論組和實踐練習，達到了深度學習層次；而STEM活動教學中，學生的學習行為增加了應用展示和把網絡搜索到的信息應用到實踐中，并且其學習行為主要集中在深度學習區域.

圖2 學習金字塔

從培養能力的角度看，從項目目標入手的STEM活動教學方式更能全面培養學生的能力.尤其是獲取信息的能力，以及把信息轉化為解決問題依據的能力的培養是講授式教學和探究式教學無法替代的.在解決現實問題的過程中，學生不得不進行協作和分工，這能夠很好地鍛煉溝通能力和合作能力，完成任務過程中會遇到意想不到的障礙，學生和教師都無法預知結果.同學們遇到的問題都是特殊的，沒有先例可尋，解決問題的過程中就能體現學生的創新能力.同時,面對一個具體的工程問題，需要學生對每個細節都有一絲不茍的專研精神，遇到障礙時能夠細心分析，排除問題，群策群力.例如在通過水果電池點亮LED燈的任務中，學生第一次并聯實驗的失敗，就是因為接線處螺絲沒有擰緊造成的.在活動后，筆者詢問了學生的體會，除了興奮之外，學生最大的感觸是做實驗要認真和細心，而這恰好是STEM活動教學的魅力所在.

4 STEM活動教學的教學建議

我國的STEM起步較晚，目前還沒有形成正式的學科和教學方法，甚至連相關的素材和課例也非常少，只能摸著石頭過河，在教學中不斷探索和積累素材.STEM在我國的推廣和實施存在的困難有以下幾點.

(1)課程設計問題：STEM課程的設計需要達成4個領域的融合，同時涉及跨學科知識和能力，如何設計與學生學習階段知識和能力匹配的STEM任務是最大的困難.一方面是因為學生的知識結構參差不齊，能力差異也很大，另一方面是來自于我國的教育強調分科，學科之間知識遷移較少，學生的知識遷移能力薄弱.其次,由于在我國STEM現成的課程設計稀缺，所以市面上也沒有現成可用的配套實驗材料.例如解決的問題是提高球的彈性.這個時候除了設計之外，還得找到實現制作球的設施，這給STEM活動教學的設計帶來了困難.

(2)實物化問題：與科學知識普及不同，STEM的概念不僅意味著對科學現象和科學知識的系統認知，更強調動手和實際操做，設計需要實物化，并用于解決問題或實現目的.而從小學到中學，我國培養學生工程設計和動手能力的課程包括勞技課、通用技術和綜合實踐課，在應試教育的背景下并未落到實處，學生動手能力普遍不足，這為STEM活動教學設置了障礙.

(3)評價問題：STEM活動教學評價不能只看是否定時定量地完成任務.因為在操作過程中每個團隊遇到的問題都是不相同的，排除障礙的過程本身也是活動的內容，也能夠體現物理素養.對STEM活動教學的評價應該過程化和多樣化.例如，考察在完成任務的過程中克服障礙的個數、實驗耗材的多少、過程和設計的創新、研究方法的嚴謹性、數學建模的吻合度等.也可以根據成員表現出的合作能力、創新能力、實驗能力和探究能力進行評價.如何建立一套科學的活動評價機制是目前面對的問題.

(4)教師的要求：在STEM活動中教師的任務除了設計活動以外，更重要的是作為顧問和觀察員的角色.雖然教師看起來是從教學中退出來了，但是教師需要根據自己學生的情況給學生提供必要的幫助，例如資源的整合，使用的器材，排除故障的方法等.在解決實際問題的過程中，學生面對的問題都是獨特的，而且是無法預料的.作為顧問的教師必須對所開展的STEM活動教學涉及的跨學科知識有全面的了解，而且能夠預測學生面對的主要困難點，這對教師本身的STEM素養就是一個考驗.同時，教師兼任觀察員和記錄員的角色，隨時發現學生在活動過程中的創新點，觀察學生的表現并評價學生的信息搜集及篩選能力、交流能力、組織能力、探究能力、實驗能力、知識遷移和數學能力.