落實(shí)核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)資源開(kāi)發(fā)
——基于STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)框架的策略

林冰冰 鄭 健 邱曉峰

（1.福建教育學(xué)院，福建 福州 350001；2.福州格致中學(xué)鼓山校區(qū)，福建 福州 350014；3.福州第三中學(xué)，福建 福州 350001）

2019 年6 月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2019〕29 號(hào)）一文中，明確指出要“深化課堂教學(xué)改革”，并進(jìn)一步明確要求“積極探索基于情境、問(wèn)題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式、體驗(yàn)式等課堂教學(xué)，注重加強(qiáng)課題研究、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、研究性學(xué)習(xí)等跨學(xué)科綜合性教學(xué)”。再則，現(xiàn)行的《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂版）》中要求教師在物理教學(xué)中要注重科學(xué)精神的滲透，關(guān)注學(xué)生終身能力發(fā)展，同樣強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。而現(xiàn)國(guó)際上流行的STEM 課程是一門(mén)跨學(xué)科的應(yīng)用型課程，是以解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題和積累經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)模式，在解決問(wèn)題或者完成任務(wù)的過(guò)程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在探索過(guò)程中應(yīng)用或者更好地掌握學(xué)科核心概念、原理知識(shí)等。如此看來(lái)，“深化課堂教學(xué)改革”“核心素養(yǎng)的要求”以及“STEM 教育理念”不謀而合。

采用如何的教學(xué)方式在傳統(tǒng)的物理分科教學(xué)中融進(jìn)STEM 素養(yǎng)教育，是值得廣大物理學(xué)科教師去認(rèn)真研究和實(shí)踐的。［1］而在落實(shí)STEM 教育中，相關(guān)的教學(xué)資源開(kāi)發(fā)和課程設(shè)計(jì)又是必備且是至關(guān)重要的前提。在中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間分科教學(xué)的背景下，有必要進(jìn)一步尋求基于STEM 教育理念的教學(xué)素材挖掘和課程設(shè)計(jì)，開(kāi)展相關(guān)STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)研究以實(shí)現(xiàn)在中學(xué)物理教育中滲透STEM 素養(yǎng)教育，落實(shí)核心素養(yǎng)培育，推進(jìn)普通高中育人方式。

一、“STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的內(nèi)涵理解

STEM 課程是強(qiáng)調(diào)基于現(xiàn)實(shí)生活情境的跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用型課程。文章采用T J Moore 和K A Smith 提出的情境整合模式，［2］即課程中以基于現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題的工程設(shè)計(jì)為學(xué)習(xí)情境，將科學(xué)、數(shù)學(xué)等知識(shí)有機(jī)地融合并運(yùn)用到工程中去，在工程過(guò)程中達(dá)到STEM 素養(yǎng)培養(yǎng)。在情境整合模式中，工程設(shè)計(jì)并不是課程目的所在，而是作為學(xué)習(xí)情境存在。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，縮寫(xiě)為PBL）作為一種普通的教育教學(xué)方法，在美國(guó)公立校中的歷史可追溯至19 世紀(jì)，其強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是解決“現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)問(wèn)題”，主張學(xué)生通過(guò)一定的小組合作方式（自主探究），來(lái)獲得真實(shí)世界問(wèn)題解決的經(jīng)驗(yàn)，并最終能夠?qū)W(xué)習(xí)結(jié)果投入到生活應(yīng)用中去，有利于學(xué)生在探索過(guò)程中應(yīng)用或者更好地掌握學(xué)科核心概念、原理知識(shí)。在PBL 中強(qiáng)調(diào)STEM 教育，同時(shí)結(jié)合中學(xué)教育實(shí)踐，可以說(shuō)是一種新的嘗試。STEM 理念契合PBL，因?yàn)椤翱茖W(xué)”“技術(shù)”“工程”和“數(shù)學(xué)”之間本就有千絲萬(wàn)縷的交疊。再則，PBL 強(qiáng)調(diào)的是“現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)問(wèn)題”，解決真實(shí)問(wèn)題過(guò)程本就不是在某個(gè)孤立的學(xué)科開(kāi)展，同樣是要求學(xué)生在STEM 領(lǐng)域中開(kāi)展跨學(xué)科的探究活動(dòng)。

簡(jiǎn)而言之，STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)要求學(xué)生通過(guò)完成的項(xiàng)目作品呈現(xiàn)其對(duì)真實(shí)問(wèn)題的解決情況，同時(shí)提供給教師衡量學(xué)生在“STEM”所涉及學(xué)科概念知識(shí)和原理等方面掌握情況的依據(jù)。可見(jiàn)，STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)在幫助學(xué)生打破學(xué)科知識(shí)碎片化、建立高階思維、落實(shí)STEM 素養(yǎng)教育上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

二、指向STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)素材挖掘

隨著課程改革的不斷深入推進(jìn)，教材不斷更新，在中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間的分科教學(xué)背景下，教材編寫(xiě)目前仍是以分科編寫(xiě)為主，能夠直接用于開(kāi)展STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教材幾乎沒(méi)有，因此開(kāi)展相關(guān)STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)資源挖掘顯得十分必要。優(yōu)秀的學(xué)科教材資源，特別是作為科學(xué)學(xué)科的物理，其本身就有著與數(shù)學(xué)、技術(shù)以及工程的諸多潛在關(guān)聯(lián)，其多方面功能依舊可以為廣大一線教師開(kāi)發(fā)所用。例如在學(xué)習(xí)完“能的轉(zhuǎn)化與守恒”后，設(shè)計(jì)相關(guān)“核電站”主題的STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程，在學(xué)習(xí)完“力的分解”之后設(shè)計(jì)相關(guān)“橋”主題的STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程，等等。

STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)教師在開(kāi)展教學(xué)中要基于真實(shí)情境中的問(wèn)題，以現(xiàn)行的魯科版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理2》中的第二章“能的轉(zhuǎn)化與守恒”為例，開(kāi)篇通過(guò)“從水車(chē)到核電站”展開(kāi)導(dǎo)入，并提出“能源的開(kāi)發(fā)給人類(lèi)帶來(lái)了什么正面與負(fù)面的影響？”等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，再娓娓道出相關(guān)物理知識(shí)、規(guī)律等。如此，教師可以首尾呼應(yīng)，在學(xué)習(xí)完“能的轉(zhuǎn)化與守恒”一章后，可直接利用章節(jié)前的真實(shí)問(wèn)題導(dǎo)入，以符合學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的任務(wù)清單（問(wèn)題鏈）為輔助引導(dǎo)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出相關(guān)“核電站”主題的STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)。而這當(dāng)中，采用如何的方式方法進(jìn)行有效的教學(xué)資源挖掘就顯得十分重要。

（一）以跨學(xué)科概念圖橫向搭建資源挖掘框架

跨學(xué)科概念圖的應(yīng)用在相關(guān)課程設(shè)計(jì)、教材開(kāi)發(fā)編排、教學(xué)研究中有著重要的指導(dǎo)意義。［3］在教學(xué)資源的挖掘過(guò)程中，有效利用跨學(xué)科概念圖，可以讓教師在課程開(kāi)發(fā)初期很好地明確課程所需要涵蓋的學(xué)習(xí)范圍，以及課程所需要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)。［4］

相關(guān)“核電站”主題的跨學(xué)科概念圖（如圖1）。

在選定的主題下，教師應(yīng)基于學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)、已學(xué)習(xí)的課本知識(shí)作為基礎(chǔ)來(lái)初步搭建跨學(xué)科概念框架圖，并通過(guò)相關(guān)主題的現(xiàn)實(shí)工程以及模擬真實(shí)情境的啟發(fā)式問(wèn)題逐步豐富學(xué)科概念圖，組織開(kāi)展跨學(xué)科學(xué)習(xí)。在“核電站”核心主題下，學(xué)生對(duì)于“能源開(kāi)發(fā)和可持續(xù)發(fā)展”有一定的生活經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于“能的轉(zhuǎn)化與守恒（核裂變、核聚變）”有了概念性知識(shí)基礎(chǔ)，以此為依托進(jìn)行概念圖的左右橫向初步建立。再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“我國(guó)核電站布局與工作流程”現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研、考察、學(xué)習(xí)，進(jìn)而引出“如何自制核輻射檢測(cè)儀器（蓋革計(jì)數(shù)器）”“世界現(xiàn)有能源還能供人類(lèi)使用多少年（世界人口增長(zhǎng)與能源消耗）”等真實(shí)情境的啟發(fā)式問(wèn)題進(jìn)行跨學(xué)科概念圖豐富與完善，最終以明晰所設(shè)計(jì)STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程的學(xué)習(xí)范圍，以及所需要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

圖1 “核電站”主題STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)

（二）以BSCS 5E 模型步驟縱向挖掘教材資源

BSCS 5E 模型是美國(guó)生物科學(xué)協(xié)會(huì)(BSCS)基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理念編寫(xiě)的生物教材中所提出的教學(xué)模式，目的在于培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)入社會(huì)時(shí)所需的生物科學(xué)領(lǐng)域的基本技能，在教材出版后就廣受認(rèn)可。該模型主要包含“約定（Engagement）”“探究（Exploration）”“解釋?zhuān)‥xplanation）”“ 拓 展（Elaboration）”“ 評(píng) 價(jià)（Evaluation）”五個(gè)步驟。［5］在各國(guó)基于時(shí)代發(fā)展對(duì)人才需求所提出的核心素養(yǎng)要求之后，又有不少學(xué)者將5E 模型應(yīng)用到核心素養(yǎng)培養(yǎng)上進(jìn)行研究。［6］

本課題在實(shí)施STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)研究中，將5E 教學(xué)模式遷移到對(duì)高中物理教材中相關(guān)“核電站”主題資源的挖掘與編排上，以期能夠得到效用（見(jiàn)表1）。

表1 5E 模型下“核電站”主題STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)資源挖掘與編排設(shè)計(jì)

在BSCS 5E 模型步驟中，“約定（Engagement）”至關(guān)重要，如何在現(xiàn)有教材知識(shí)基礎(chǔ)上挖掘出學(xué)生感興趣的且是與現(xiàn)實(shí)情境問(wèn)題、工程設(shè)計(jì)等相關(guān)主題，是學(xué)科教師作為教材、學(xué)生、課程三者橋梁的重要作用體現(xiàn)之一。在“約定”環(huán)節(jié)中，學(xué)生的興趣固然重要，但教師在這個(gè)過(guò)程中如何正確引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”感興趣的話題更為重要。“探索（Exploration）”是在明確項(xiàng)目主題之后的研究階段，引導(dǎo)學(xué)生在研究過(guò)程中明確項(xiàng)目相關(guān)的課程目標(biāo)和制約因素，并在此過(guò)程中建立起項(xiàng)目相關(guān)的概念與思維等。“解釋?zhuān)‥xplanation）”和“拓展（Elaboration）”環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)給予學(xué)生充足的時(shí)間來(lái)根據(jù)問(wèn)題解析進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施，并實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移應(yīng)用。“評(píng)價(jià)（Evaluation）”依據(jù)為先前明確的課程目標(biāo)，以項(xiàng)目對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決情況開(kāi)展測(cè)量和反思，評(píng)價(jià)方式可以是自我評(píng)價(jià)、同伴評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)等多種方式。

在“核電站”主題STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)中，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)歷史事件開(kāi)展反思，了解現(xiàn)有我國(guó)核能發(fā)電站布局并引導(dǎo)思考相應(yīng)工程問(wèn)題發(fā)生時(shí)的應(yīng)急對(duì)策，再進(jìn)一步針對(duì)“放射性污染的監(jiān)測(cè)”開(kāi)展“簡(jiǎn)易蓋革計(jì)數(shù)器”項(xiàng)目的制作，在項(xiàng)目拓展中再次通過(guò)數(shù)學(xué)建模和運(yùn)算深刻了解當(dāng)前能源的匱乏，在真實(shí)問(wèn)題情境中幫助學(xué)生從各學(xué)科概念層面重新審視當(dāng)前能源開(kāi)發(fā)利用所面臨的境況，發(fā)展學(xué)生解析問(wèn)題以及反思能力等，深刻地體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性，讓STEM 素養(yǎng)教育在章末通過(guò)問(wèn)題解決過(guò)程得以體現(xiàn)。

三、基于STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)的中學(xué)物理教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的反思與建議

（一）用跨學(xué)科概念圖明晰教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的范圍

跨學(xué)科教學(xué)在基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科教育中的重要地位日益凸顯，相關(guān)跨學(xué)科知識(shí)的整合是重點(diǎn)亦是難點(diǎn)。在強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科概念的STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，借助跨學(xué)科概念圖，不僅能夠提高跨學(xué)科知識(shí)的整合效率，也能夠提升整合者的創(chuàng)造力。在進(jìn)行教學(xué)資源挖掘時(shí)，借由相關(guān)主題的跨學(xué)科概念圖，讓人從視覺(jué)上直觀地了解到跨學(xué)科所有可能涉及的知識(shí)內(nèi)容，給人以明晰的范圍框架，也有利于教師在課程設(shè)計(jì)之初明晰跨學(xué)科的STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（二）用工程思維縱向拓展教學(xué)資源挖掘的深度

在我國(guó)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)教育中，有著優(yōu)秀的科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)科教育，但是在技術(shù)和工程上的教育卻顯得較為蒼白。STEM 教育中的“工程”落實(shí)同樣是我國(guó)在相關(guān)探索實(shí)踐方面的薄弱點(diǎn)，而工程思維又是提升項(xiàng)目質(zhì)量的命脈所在，因此在STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中用5E 模型步驟模擬工程設(shè)計(jì)，用以提供學(xué)習(xí)情境，在學(xué)習(xí)過(guò)程中深深的將工程思維貫穿其中。

（三）用工程項(xiàng)目結(jié)果支撐教材資源挖掘的有效性

STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)作為應(yīng)用型的課程，以項(xiàng)目作品的完成情況來(lái)衡量課程實(shí)施的有效性。因此在課程資源挖掘的過(guò)程中，在契合課程標(biāo)準(zhǔn)之上，要注重設(shè)計(jì)有明確可行的項(xiàng)目作品，亦是有利于學(xué)生呈現(xiàn)其解決問(wèn)題的思維，讓思維可視化，也是提供給教師以評(píng)價(jià)依據(jù)的重點(diǎn)。