STEM理念下單擺運動的教學項目設計

徐馮娟 張棉好 劉華北 金海榕 陳俊元

（浙江師范大學 浙江金華 321004）

物理學是人類最基本的工具之一，作為人類探索大自然規律和奧秘的手段，對人類社會發展起到了重要作用。在高中階段，物理是一門對學生的實踐能力和創造思維要求較高的學科。同時，高中時期也是培養學生實踐能力和創新習慣的最好時期。當前物理教學中，以教師為主導、學生為主體進行教學活動。為改善傳統的教學現狀，增強學生對物理學科的興趣，提高學生動手實踐能力，培養學生積極獨立思考的習慣，訓練學生自主創新的思維，課題組提出在物理課堂上運用STEM教學模式進行教學探索與實踐。

一、STEM教育及STEM理念

（一）STEM教育及應用現狀

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合，在科學、技術、工程、數學之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系[1]。

我國的STEM教育發展尚處于起步階段，國內STEM教育尚未形成完整的理論體系和操作性強的課內外結合模式。在實踐層面，其又受到科學教育基礎薄弱，區域間發展不平衡，課內教育與課外教育未能協調發展，課內科學教育和課外科技活動脫節；科學教育資源不足，分布不均，利用不充分；科學教師專業能力亟需提升，科學教師兼職比例大，非理科專業居多，科技輔導員和科技教師在學校被邊緣化等因素的影響。這些現狀都制約或誤導了我國的STEM教育的發展[2]。

（二）STEM的核心理念

STEM這門跨領域的學科將原本分散的四門學科集合成一個整體，分別代表著科學素養、技術素養、工程素養以及數學素養四門素養。這不是簡單的學科之間的疊加，而是要將四門學科內容組合成有機整體，以便更好地培養學生的創新精神與實踐能力。STEM教育模式可以培養學生的知識和技能，并且靈活遷移應用，解決現實世界的問題，以融合跨學科、趣味性、協作性、設計性、藝術性、實證性、增強性等[3]。

二、基于STEM理念得單擺運動教學項目設計

（一）單擺運動在課程中的地位及教學的基本內容

本次課以“驗證周期T公式”為主線，采用小組交流合作的學法，在學生設計實驗進行實驗探究的同時，將STEM的四個方面滲透到教學的整個過程：

1.在科學層面上，學生能夠自主設計方案，并且掌握牛頓第二定律、轉動定理、能量守恒定律、簡諧運動的知識等，達到學以致用、活學活用的教學效果；

2.在技術層面上，如何讓擺錘擺動時的阻力最小、擺動時間更長、擺動系統更加穩定？這些問題都需要在設計實驗、制作大擺錘時注意，并得到解決；

3.在工程層面上，從學習原理到提出質疑，再到設計實驗，最后得出結論，需要完整的工程設計流程。學生需要將每個環節緊密連接，反復實驗，不斷地實踐檢驗。

4.在數學層面上，需要運用計時器、尺子、量角器、磅秤等度量工具，用來計算大擺錘的具體參數。

（二）基于STEM理念的教學項目設計

基于STEM理念實施教學，能融合科學、技術、工程、數學四個方面的內容于一體，可以培養學生的知識運用及創新能力。基于STEM理念，課題組針對物理課的“單擺運動”進行相應的教學設計，具體如表1所示。

表1 基于STEM理念的“單擺運動”教學設計

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三、教學設計反思

在STEM理念下的物理課堂教學設計中，課題組發現，與傳統教學不同的是，STEM教學打破了固有的單一學科模式，實現多學科融合，將科學、技術、工程以及數學融入課堂中。我們引導學生從制作大擺錘中探索科學原理（牛頓第二定律、能量守恒、簡諧運動、空氣阻力等）；通過小組討論思考：大擺錘的本體材質? 本體與放置架應該怎樣固定? 擺錘的安裝位置應該注意什么? 擺動的幅度多大合適？ 繩長選取的范圍多少合適? 擺動過程中如何使其穩定? 制作的過程中用到哪些工具？等技術問題；從實驗原理到技術思考，設計實驗的工程流程，再通過實際操作和實驗發現記錄問題，及時調整；最后，引導學生運用數學思維和數據，通過擺動周期計算出理論值，做實驗得出實際值，并通過不斷地選取不同物理量，反復實驗，繪制誤差曲線，反應出制作大擺錘的質量。整堂課從解決學科本身出發，遷移解決實際問題。

整個過程，循序漸進，環環相扣，給予了學生充分的自我創造空間和發揮空間。這不僅激發學生對探索的欲望，還培養了學生創新能力和實踐能力，給枯燥難懂的物理學科增添了許多樂趣，提高了學生對物理學科的熱愛。在完成上述的教學設計的同時，我們還潛移默化地鍛煉了學生的科學素養、技術素養、工程素養以及數學素養，從而為培養綜合性人才奠定了基礎。