STEM理念下高中物理教學培養核心素養的策略

【摘要】 ?在STEM理念下高中物理教學通過設計有邏輯的學生自主探究過程，將新知識納入舊知識結構，以小組合作學習等形式，進行一些工程設計與開發，解決實際問題，達到學以致用，使學科核心素養的培養貫穿在在高中物理教學過程中，落到實處，要處。從生活走向物理，從物理走向社會，關注學生社會情緒的培養。

【關鍵詞】 ?核心素養 STEM 汽車安全行駛 小組合作學習

【中圖分類號】 ?G633.7? ? ? ? ? ? ? ?? ?【文獻標識碼】 ?A 【文章編號】 ?1992-7711（2020）19-163-02

2018年1月，教育部發布了《普通高中課程方案和全部學科課程標準（2017年版）》，這是物理學科核心素養下的課程標準。物理課程作為一門自然科學領域的重要基礎課程，要從四個方面（科學知識、科學方法、科學精神與態度、科學應用）為學生今后的生活和工作作準備，使學生養成終身發展所需的必備品格以及關鍵能力，培養學生的物理學科核心素養。重新調動學生的學習積極性，使學生能夠對事物和所遇到的問題進行理智的獨立分析、判斷，并能創造性地解決問題，這是具有實際意義的。

STEM教育是在單一學科的理論基礎上，進行跨學科學習，通過團隊合作，解決實際問題，將學科知識與生活實際相結合的學習過程。STEM課程理念，最早由美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）提出。主要包括4部分內容，分別是科學SCIENCE，技術TECHNOLOGY，工程ENGINEERING，數學MATHEMATICS，這四個相互獨立又相互關聯的學科是科技的基礎，是高素質創新性人才所必備的核心學科。培養高素質創新性人才被認為是增強國家競爭力的重要手段，是社會和經濟發展的根本動力。

目前，被大多數人普遍接受的，Rider-Bertrand教授在2007年對STEM教育的定義： STEM教育是有目的地整合科學、技術、工程和數學四大學科的內容和學習方法，通過跨學科融合教學，學生將從中發現并獲得能在學術和現實生活背景中可以運用的知識、能力以及科學、技術、工程和數學思維等，以提高學生核心競爭力。因此，可以看到，STEM課程理念更注重整合，課程的整合，不同學科、不同能力的整合。教學則應該在整合的過程中，形成具有凝聚力的教學策略和教學方案。而我國關于STEM課程的研究起步較晚，直到2016年6月7日，我國國家教育部頒布了《教育信息化“十三五”規劃》的文件中明確指出“積極探索信息技術在創客教育、跨學科學習（STEAM教育）等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力”。這作為綱領性的文件，標志著我國正式踏入STEM教育改革的行列中。

現有研究主要還是集中在對國外STEM理論發展的理論研究方面以及對國外各部門在推行和落實STEM課程理念的過程介紹等。而關于從幼兒園、小學、初中以及高中階段（相當于美國K-12階段）的STEM課程的研究不夠具體，缺乏實踐探索的真實案例，特別是在高中物理課堂中，具體把STEM課程理念，落實到教育教學實踐中的還很少。因此，在以分科教學為主的高中教學背景下，開展有關STEM課程理念下的高中物理教學模式的研究，是符合新課程標準的要求，也具有重要的現實意義。

STEM課程理念具有跨學科，跨領域的特點，它涉及到科學、技術、工程和數學等學科。科學（S），是人類探索、研究、感悟宇宙萬物變化規律的知識體系的總稱，是人類對世界的認識以及自然現象和客觀規律的解釋。工程（E）和技術（T），應該說是人們在尊重自然規律的基礎上，改造自然，以達到預定目標來滿足社會發展需要的方法和手段。 數學（M）則是科學、工程和技術發展的基礎，是人類在探索世界中不可缺少的科學工具。

以學生參與為主體，基于項目的學習，基于科學探究過程和工程設計過程的“STEM”教育，其探究式思維以及工程技術實踐引導理念，與物理新課標是非常吻合的，同時為高中物理教學設計提供了指引，也明確了方向，為實現高中物理高效課堂提供了可能。

一、 解讀教材，落實核心素養培養

“汽車安全行駛”安排在學習勻變速直線運動規律后，目的是要學生能夠進行勻變速直線運動規律的應用和遷移，因此本節是本章的一個比較重要的、典型的應用型知識點。普通高中《物理課程標準》（2017年版）（以下簡稱“新課標”）要求是：“通過實驗認識汽車安全行駛問題”，要求學生能通過一些科學探究或具體的活動來了解和體驗汽車安全行駛。理解汽車安全行駛的實質，理解物理觀念。具體分析為其一： 應用勻變速直線運動規律分析汽車安全行駛距離，不僅有利于學生鞏固對規律內容理解，也有助于培養學生分析問題的能力，提升科學思維.其二，這是一個貼近日常生活的實際問題，學會應用物理知識解決實際問題的方法和思路，學會理想化處理實際問題，能激發學生的學習興趣和體會見物說理的奧妙。其三，將德育教育滲透在日常物理教學中：遵守交通法規，安全出行;珍愛生命，人人有責，從而激發學生社會情感價值，培養科學態度和責任。

二、 基于核心素養導向及融合STEM理念來處理教材

（一）創設生活情境，激發學習興趣

生活情境1：播放學生課前完成的“生活中的交通意外現場”的視頻，提供素材。

創設生活情境，從生活走向物理。激發學生的求知欲望，培養學生觀察能力，為課堂教學埋下伏筆。

課前布置和指導學生分學習小組合作完成“汽車行駛事故調查報告”，創設真實的問題情境。這其中包含了前期準備工作和后期的匯報處理，通過該活動，培養了學生精益求精、務實的科學態度和嚴謹合作的科學精神。

（二）觀察視頻，提出研究問題

提問與小組討論一：為什么要保持一定的行車距離？討論二：我們為什么不可酒后駕車？

通過對視頻觀察及老師提出問題引導思考，引導學生理解安全距離，運用學習的知識分析物理現象。

（三）實驗探究、體會研究方法

情境2：有一輛汽車以108km/h的速度在泊油高速公路上行駛，突然駕駛員發現一輛大卡車橫向停在其前方70m處，于是他馬上以10m/s2的加速度進行緊急剎車。請問：是否會發生撞車事故？

變式情境3：剛才問題的解決是建立在駕駛員發現情況與采取剎車動作是同時進行的假設為前提的。但實際生活情境中，兩者能否做到同時進行？

實驗探究：人的反應時間是指從你的眼睛看到信號，到你開始做出相應的反應之間的一段短暫時間間隔。請用你身邊的器材設計一個實驗，粗略測量人的反應時間。

物理學科核心素養中對科學探究素養的具體要求：提出問題，進行猜想或假設，設計實驗，進行實驗，獲取和處理數據，基于數據得出結論并作出解釋，最后還需要對實驗探究過程和結果進行相互交流、評估和反思。學生必須親自經歷探究過程，細致觀察，善于分析，發現問題，提出問題，嘗試用科學探究的方法研究物理問題。通過學習小組組內組間的交流，可以提高學生間的協作意識，體會合作的重要性，同時提升學生團隊溝通能力。在實驗操作過程和生生交流過程中，教師要做適當的評價與激勵，將有效的教學資源加以利用，最終才能使教育不僅是讓學生記憶百科全書式的知識，更是讓學生經歷一種過程和領悟一些方法，提升一些能力，授人以魚不如授人以漁。

（四）學以致用，變式情境

變式情景4：在情境2中考慮駕駛員需要經過0.5s的反應時間才開始剎車，問：是否會發生撞車事故？

重新回味在考慮反應時間下，反思情景2，再次升華理解反應時間內汽車進行勻速直線運動，同時學會應用物理知識解決實際問題的方法和思路，達到學以致用目的。

在論證這些法規合理性的過程中，運用了運動學的公式原理，明確了一般的解題程序。學生不僅了解到行車安全的部分法規，而且還知道了這些法規完全來自于物理學中的運動學原理。用學過的知識，解決生活中的問題，培養學生的核心素養。將德育教育滲透在日常物理教學中：遵守交通法規，安全出行;珍愛生命，人人有責，從而激發學生社會情感價值，培養科學態度和責任。

（五）豐富現象，拓展提升

變式情境5：在平直公路上甲車以20m/s的速度行駛，突然發現乙車以10m/s的速度在其前方20m處同方向勻速行駛，于是甲車司機立即以加速度大小為2m/s2剎車（不考慮人的反應時間），問：兩車是否相撞？

變式情境6：停在路口的值班警車發現有一輛紅色出租車正在以10m/s速度闖紅燈，警車馬上以5m/s2的加速度進行追趕攔截，（1）警車和出租車何時相距最遠？最遠距離是多少？（2）警車追上出租車需要多長時間，成功完成追趕攔截任務的警車此時速度是多少？

學生應用能力的提升，一定是對科學方法的掌握和靈活運用。很多學生遇到新的問題就無法解決，最主要的原因，就是學生只是把握住物理知識的表層意義，卻沒有理解和掌握其中的物理方法。教育教學貴在創新，學生學習也貴在創新。教育教學的創新可以表現為思維的創新，變式教學實踐就是一種思維創新。在物理教學中通過變式教學，應用規律尋找物理量之間關系，通過情境變式，不斷地變更所提供材料或事物的呈現形式，使本質屬性保持穩定更突出核心，而非本質屬性不斷變化，從而拓寬學生的思路，提升學生的思維敏捷度，靈活度和創造性。以變養智，以變養德。

結束語

從物理觀念、科學思維、研究方法、培養科學態度和責任等維度歸納本節課。融合STEM的理念，打破學科的界限，整合科學、技術、工程、數學，設計有效的探究實驗，創造機會讓學生經歷科學研究的全過程。STEM理念下的高中物理教學，以體驗為主線，改變了傳統物理教學中“填鴨式”講授模式和學生被動接受的教學模式，引導學生進行自主探究式的學習。通過情景創設引入，激發學生學習興趣，使老師的“講授”轉化為學生的“自主體驗”，從思考，猜想，理解，設計，表達，到實踐并最終完成，學生逐步建立自身的知識框架平臺，體驗科學發現和創造的思維模式，形成一定的物理建模能力，并能解決社會實踐中的相關實際問題。從而有效地提高學生學習能力和科學素養，提升創新能力，拓展學生思維，拓寬學生知識面，激勵學生學習興趣和表現欲，培養了學生科學方法、科學應用方面的素養，不僅達到了“教是為了不教”的目的，還落實教育立德樹人的育人功能，從而激發學生社會情感價值，培養科學態度和責任。

[ 參 ?考 ?文 ?獻 ]

[1]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創造——中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016，（04）：71-78+105.

[2]張軍朋.高中物理課程實驗設計（上）[M].廣州：廣東教育出版社，2011.

[3]陳允怡.高中物理教學中培養學生核心素養的策略——以“超重和失重”教學為例[J].中學物理教學參考2019（9）.