中學物理驗證型STEM教學模式
——以“測量物質的密度”教學為例

劉健智 劉新武 馬瑛瑛，2

(1. 湖南師范大學物理與電子科學學院,湖南 長沙 410081; 2. 廣東省三水華僑中學,廣東 佛山 528100)

隨著智能制造時代的到來,世界各國都非常重視復合型、技能型與創新型人才的培養,因此STEM專業人才的培養應運而生．STEM是由科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)的首字母組成．我國也重視STEM教育,如教育部出臺的官方文件:《基礎教育改革與發展的決定》明確“加強初中分科課程與綜合課程相結合的改革”;《教育信息化“十三五”規劃》鼓勵跨學科學習并在其中應用信息技術即進行STEM教育,全國各地也積極響應并正在進行STEM教育模式的探索,出現了很多成功的案例．[1]

1 物理教學融入STEM教育:合適路徑

當前,STEM教育的具體實施有3種課程路徑:一是獨立的選修課程;二是一門綜合課程;三是基于某一學科的教學方式、教學模式或策略．[2]筆者認為,第一種路徑增加了學生的負擔且受益的學生受到限制;第二種路徑在中學實施難度較大,只適合于小學階段;第三種路徑克服了前兩者的問題,教師可以靈活地進行教學設計,將STEM教育融入學科教學之中．[1]筆者前期研究也表明,最合適的融入STEM教育的學科是中學物理,其可行性表現在: ① STEM教育與物理教學聯系緊密; ② 物理實驗已體現了科—工整合思想; ③ 大量教學內容可滲透STEM教育理念,同時我們探討了3條中學物理教學中的具體實施融合的路徑．[3]物理課程的目標就是注重學生能力的培養,以提高全體學生的科學素養,促進其核心素養的養成為己任,以“注意學科滲透,關心科技發展”為課程理念．[4]實際上,當初美國教育工作者提出STEM教育的目的就是要讓學生的理工素養得到提升．

因此,運用STEM教育理念組織物理教學,創新物理教學模式,值得我們嘗試與實踐．

2 物理教學融入STEM教育:教學模式

將STEM教育滲透到中學物理教學中,該采取怎樣的教學模式,如何進行教學設計,筆者贊同謝麗、李春密的觀點:在物理教學中,由于要達到S、T、E、M 4門學科高度融合實屬不易,現實操作性不太強,教師可以根據所選取的課題有針對性地融合2至3門學科,這樣也可防止STEM教育的形式化．[5]傅騫把STEM教育應用模式分成驗證、探究、制造、創造4大類．[6]筆者認為,這正是物理教學融入STEM教育的4個階段——從“驗證”的初級階段,到“探究”的過渡階段,再到“制造”的高級階段,最終到“創造”的終極階段——逐步將學生從“技能型”培養成“創造型”人才．

上述的培養STEM人才的4個階段,符合循序漸進的原則．創造力的培養,作為STEM教育的最終目標,不是一蹴而就的．我們要研究什么教學時段、哪些教學內容可以開展驗證型、探究型、制造型、創造型STEM教學,并構建每個階段的教學模式．通常在初學物理時開展驗證型STEM教學．本文構建了中學物理教學中的“驗證型”STEM教學模式,并以初中物理“測量物質的密度”進行案例說明．至于其他3種STEM教學模式,后續進行研究．

3 物理驗證型STEM教學模式的構建

STEM教育與驗證性實驗相結合就構成了驗證型STEM教學．傳統的驗證性實驗是對諸如物理定理、規律和定律等結論的證明.這些結論大家普遍公認,實踐檢驗其是真實的,一般不可被推翻．[7]而驗證型STEM教學,除了驗證已知結論外,還可能要對某種現象或猜想進行驗證,從而發現自己的假設或者認識是否正確,如果不正確,就提出新的假設并再一次進行驗證．

3.1 教學目標

(1) 培養學生的實驗好奇心.

提高初中生的STEM興趣是開展STEM教學的首要條件,特別是對剛接觸物理的初中生來說更為重要．驗證型STEM教學通過學生親自實驗驗證某種假設,能夠提升其好奇心,有了好奇心才能發現生活中的現象并提出有質量的科學問題,才會積極參入STEM課堂．例如,有好奇心的學生會觀察到經過頭發摩擦的氣球能粘在墻上,然后提出問題:多次與頭發摩擦的氣球是否更易粘在墻上?影響氣球粘在墻上的難易程度與頭發的哪些因素有關?等等．

(2) 訓練學生的跨學科思維.

例如,在上述氣球粘附在墻上的問題中,學生可能會預測有一個結果:黏附時間隨摩擦次數的增多而增長,進而進行對這個觀測結果的驗證活動．這個實踐活動就是驗證型STEM教學活動,它的教學意義表現在:首先,學生認識到猜想的正確性需要有科學的實驗依據,進而科學認知思維得到了訓練;其次,學生們會發現解決問題還需要借助一些技術,如VR虛擬技術、平面繪圖、3D打印等;要分析和計算需要數學知識;有時還需要機械構造、材料加工、電氣工程等知識,這樣就幫助學生建立了跨學科的思維．

3.2 基本要素

基于上述教學目標,筆者構建的驗證型STEM教學模式包括提出問題、提出假設、驗證假設(包括設計實驗、進行實驗)、分析論證、總結交流等5個基本要素．

(1) 提出問題.

問題盡量由學生提出．但對于初中生來說,一般由教師提出,問題要:聯系生活實際;緊扣物理教材;難易程度適當;符合認知特點．

(2) 提出假設.

假設要讓學生在自己的認知基礎上合理地提出．如果學生遇到困難,教師可以積極引導,不能直接告知學生．

(3) 驗證假設.

驗證假設可細分為設計實驗和進行實驗．首先要學生自行設計方案,包括:準備所需的物品或設備;畫出實驗裝置圖或擬出證明思路;構思實驗步驟或技術路線;設計記錄數據的表格等．然后,分小組對方案進行評估,包括:是否可行;成本高低;安全與否;意義大小等．

(4) 分析論證.

對收集的數據進行處理．為了便于觀察,利用電腦軟件如微軟Excel制作圖表,使數據的呈現更直觀．在制作圖形中,一般需要對直線或曲線進行擬合,學生也熟悉了電腦技術;也鞏固了如何計算平均值、有效數字、科學計數法等數學知識．最后,根據實驗結果與假設之間的關系:完全支持、部分支持、徹底否定你原來的假設?

(5) 總結交流.

對于實驗結果完全支持假設的實驗,教師引導學生反思“新學到哪些知識”“操作的注意事項”等,然后撰寫一份實驗報告．對于實驗結果未能完全支持假設的實驗,引導學生對全過程進行反思后,重新對方案進行設計、進行實驗,直到解決問題．當然,也可以反思“假設”是否存在問題或錯誤．

以上能叫要素,不能叫環節,因為實際上的驗證型STEM教學活動不一定完全按照上述程序進行,可以少于或者多于上述要素,要素間的程序也可以變化或者交替使用．如果機械呆板地照搬上述操作程序,除了可能無法完成實踐活動，最關鍵的是固化了學生的思維從而限制學生的創造性,這恰好與STEM教育的宗旨背道而馳．

4 教學案例設計:測量物質的密度

4.1 設計意圖

充分體現驗證性活動與STEM教育的整合．

驗證性.兩個活動: (1) 檢測小吃攤使用的油的健康與否; (2) 鑒別石頭的種類．活動內容貼近生活,學生感興趣,讓學生通過活動掌握測量物質密度的物理方法．

STEM:該案例側重數學與科學的融合,包括密度的概念,長度的測量,單位的換算,密度的計算等．

該案例的科學方法是運用密度知識對油的種類進行鑒別,判斷是否是地溝油．教師首先播放鑒別地溝油的微視頻,在了解一些先進且快速的諸如色譜檢測、質譜檢測、測量電導率等鑒別技術之后,學生的科技視野得到拓展,體現了技術與科學融合的STEM教育的主要特點．

4.2 教學分析

(1) 教學內容分析．在教學安排上,該活動案例承上啟下:在上一節學習了密度后繼續學習物質密度的測量,為下一節“密度與社會生活的聯系”作好鋪墊．基于教材,不依賴于教材,通過與生活聯系緊密的知識內容的重構,選擇驗證型STEM教學模式,符合八年級學生的認知水平,降低了學習難度,培養了學生的觀察、動手和問題解決的能力,訓練了跨學科思維能力．

(2) 學習者分析．8年級剛學習物理的學生,通常感覺物理知識很抽象,而且要用到數學工具,同時還要通過實驗證明物理結論,因此學習起來有一定的難度．但學生已經學過了質量、密度等概念,因而為本案例STEM教學活動的開展夯實了物理知識基礎．

4.3 設計思路

教師創造條件,學生主動參與驗證型STEM活動．小組成員間交流合作、動手實驗,鑒別地溝油和礦石的類別,完成教學目標．驗證活動中涉及到的STEM的學習內容如表1所示．

表1 “測量物質的密度”涉及的STEM內容

4.4 活動設計1:測量樣品油的密度

4.4.1 設計意圖,教學目標

學會發現和提出問題、選擇有趣的驗證性課題;會設計解決問題的方案;通過活動掌握液體密度的測量方法;培養運用相關的物理、化學、數學知識和技術手段解決實際問題的能力．

4.4.2 創設情境,激趣引題

教師播放“地溝油新聞”的微視頻,內容包括: ① 從路邊小吃攤,到大排檔,甚至到高級餐館,地溝油被不良商家用于各種食物的制造; ② 地溝油的提煉方法及其原材料; ③ 地溝油的危害．

4.4.3 開展活動,驗證實驗

(1) 提出問題:學?；蚣彝ジ浇牟惋嫷晔褂玫挠蜁堑販嫌蛦?

(2) 提出假設:是．

(3) 設計實驗．小組成員討論,設計驗證方案．

合作交流:地溝油與色拉油在氣味和顏色上的差異不明顯,因此肉眼無法辨別,但可以利用上節課學習到的密度知識,嘗試測量樣品油的密度．

器材準備:樣品油,燒杯,量筒,天平．

實驗步驟: ① 設計出表格(表2); ② 測出數據; ③ 將數據填入表格; ④ 計算樣品油的密度．

表2 樣品油的密度的測量數據

教師提問:如何使用量筒?

教師啟發:量筒的： ① 單位標度?② 分度值?③ 量程?④ 正確讀數方法?

觀察交流:讀數時,不同的視線位置測出的油的體積的數據有稍許的差別．

教師總結:使用量筒要“一看二放三讀”:先看分度值和量程;再放在水平臺桌上;視線平視液面讀數．

(4) 進行實驗.

查閱資料:利用互聯網或圖書資料查得:地溝油密度為0.94 g/cm3～0.96 g/cm3;色拉油密度為0.90 g/cm3～0.93 g/cm3．

學生操作實驗,收集數據．教師巡視啟發,指導幫助,重點放在量筒和天平的規范使用上．

(5) 分析論證．各小組把數據填進表格,計算密度;將結果與查得的密度值對比,驗證假設:樣品油是否是地溝油．

(6) 總結交流．教師總結活動過程,糾正學生的不規范操作,培養學生嚴謹的科學態度;提醒學生清洗量筒和燒杯,培養安全意識．學生反思自己的實驗操作,糾正一些不當的做法．

4.5 活動設計2:測量一礦石的密度

4.5.1 設計意圖,教學目標

學會發現和提出問題、選擇有趣的驗證性課題;會設計解決問題的方案;通過活動掌握固體密度的測量方法;培養綜合運用相關學科知識和技術手段解決實際問題的能力．

4.5.2 創設情境,激趣引題

圖1 礦石

教師展示在路邊拾到的一塊“石頭”(圖1),讓同學們幫助其鑒別這是哪種礦石．

4.5.3 開展活動,驗證實驗

(1) 提出問題:礦石的種類如何鑒別．

(2) 提出猜想:石灰巖?鐵礦?銅礦?等等．

(3) 設計方案.

合作交流:測量其密度,再與一些礦石的密度對比,礦石的種類就鑒別出來了．

提出問題:如何測量體積?

小組合作:采集小組實驗所需的樣品．

方案1:首先要得到形狀規則的礦石,如長方體,這時要用到手持式切割機;然后用直尺測量出樣本的長寬高,最后算出體積．

方案2:用錘子敲出樣品,再利用量筒測量其體積．具體方案: ① 記下量筒中水的原來的體積V1; ② 用細線系好樣品,將其完全浸沒或沉入水中,但不要溢出,記下此時量筒的讀數V2; ③ 計算樣品的體積V=V2-V1．

(4) 評估方案.

方案1中規則的樣品很難得到．方案2更適合實際情況,應用范圍更廣．

改良方案2:用錘子容易損壞礦石,因此還是用切割機獲得樣品,不必樣本形狀規則．

通過方案2的實踐,我們學會了形狀不規則固體的體積的測量方法,這種方法叫排水法．排水法在以后的學習或生活中還會經常用到．

(5) 實施方案.

查閱資料:學生設法查出一些礦石的密度,按照數據的一定順序制作出表3．

表3 常見礦石的密度值(從小到大排列)

學生分組操作,收集數據．教師巡視啟發,適時幫助,重點指導學生使用切割機,提醒學生注意安全．

(6) 分析論證．完成表格4,計算出礦石樣品的密度,驗證自己的猜測是否正確．

表4 礦石樣品密度的測量數據

(7) 總結交流．小組之間交流后,發現改良后的方案二更簡便、更迅速,并總結實驗中的注意事項．

5 對驗證型STEM教學模式的反思

物理驗證型STEM教學模式下的課堂是否高效?

所謂高效課堂,是指在相同的教學時量內,學生能夠落實更多的教學目標．新課程下,特別是STEM教育理念下的物理課堂,不僅僅要讓學生建構起物理觀念,更要讓學生的科學思維、科學探究、科學態度與責任等物理學科核心素養得到提升,同時還要培養學生的多學科知識的融合和技術手段的應用能力,提升學生解決問題的能力,為學生創造力的培養做出應有的貢獻．

以“測量物質的密度”的驗證型STEM教學為例,雖然比傳統的一個課時增加了一個課時,但根據上述高效課堂的界定,它卻是高效的,因為它落實的教學目標比傳統的教學多出了很多,簡單地說,表現在:問題具有生活情境,解決好問題具有挑戰性;學生覺得物理有用,成就感和自我效能感得到增強;解決實際問題的能力得到培養,發散性思維能力得到訓練,多學科知識的融合意識和能力得到增強;學會了生活中經常用到的切割機的使用,培養了動手能力,提升了安全意識;實驗驗證活動中,訓練了學生的問題、證據、解釋、交流等與科學探究有關的能力．以上這些教學內容,都體現了物理學科核心素養目標得到了落實．

因此,中學物理驗證型STEM教學模式下的課堂是高效課堂．