近5年國內(nèi)STEM物理教育研究綜述
——以中國知網(wǎng)檢索到的相關(guān)期刊文獻為例

王海林 肖 化

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

隨著教育界“培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展且具有創(chuàng)造力的人”理念的提出，STEM教育作為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)所交叉融合的學(xué)科，由于和物理學(xué)科特性相符合，逐漸出現(xiàn)在物理教育的研究視野之中.STEM教育是一種以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，它將 STEM知識有機地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1].因此，越來越多學(xué)者將研究重心轉(zhuǎn)移到了STEM的研究領(lǐng)域.在較早時期，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于STEM物理教育的研究主要是理論研究，集中為STEM概念和方法研究.隨著教育學(xué)界對STEM開展的進一步研究，如定性研究STEM在物理教育中的運用、教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實踐也逐漸在國內(nèi)興起，并且在最近的幾年中開始成為了教育學(xué)界的熱門話題.基于此，本文將從研究對象、研究方法和研究內(nèi)容這3個基本維度出發(fā)，對到2020年12月近5年發(fā)表于國內(nèi)期刊的相關(guān)文獻進行統(tǒng)計分析，以此了解國內(nèi)STEM物理教育的研究發(fā)展?fàn)顩r，并對此提出展望.

2 研究設(shè)計

在此研究中，筆者在CNKI檢索框中輸入主題為“STEM”并且以“物理教學(xué)”對其進行高級檢索，檢索到自2016年到2020年發(fā)表的論文共計24篇.檢索結(jié)果如圖1所示.由此可見，有關(guān)STEM和物理教學(xué)相關(guān)的文獻從2015年開始出現(xiàn)，并且每年發(fā)表的文獻都在增加.這也說明STEM與物理教學(xué)是現(xiàn)在教育學(xué)界中趨于火熱的研究方向.隨后，筆者將從研究對象、研究方法和研究內(nèi)容共3個總維度出發(fā)，對以上24篇文獻進行統(tǒng)計分析和歸納整理，以此來了解近5年國內(nèi)STEM物理教育研究的整體情況，為未來的STEM物理教育研究提供一定的借鑒意義.

圖1 STEM物理教學(xué)檢索結(jié)果

3 研究結(jié)果

3.1 研究對象

筆者首先對24篇文獻的研究對象進行了歸類和分析統(tǒng)計，所得到其具體研究情況如表1所示.

由表1可知，國內(nèi)關(guān)于STEM物理教育研究主要還是以大學(xué)生和中學(xué)生為主要研究群體.其中，除了5篇沒有明確的研究對象以外，以初中生群體作為研究對象的共計6篇，占比25%；以高中生群體作為研究對象的共計10篇，占比42%；以大學(xué)生群體作為研究對象的共計2篇，占比8%；以少數(shù)民族學(xué)生群體為研究對象的共計1篇，占比4%.由此可見，從研究對象的角度來看，目前國內(nèi)關(guān)于STEM物理教育研究對象的選擇相對不平衡，絕大多數(shù)都是選擇以初中生群體和高中生群體為主要的研究對象.而對大學(xué)生和少數(shù)民族學(xué)生群體在STEM物理教育的研究中相對較少.鑒于此，筆者希望未來的相關(guān)研究可以對這兩個群體投入更多的研究，以補充在這方面的研究不足的現(xiàn)狀.

表1 STEM物理教育研究對象

3.2 研究方法

接著，筆者又對這24篇文獻的研究方法進行分類歸納和分析統(tǒng)計，得到其分析的具體情況如表2所示.

表2 國內(nèi)STEM物理教育研究方法

由表2可知，國內(nèi)關(guān)于STEM物理教育的研究方法主要是以非實證研究為主，實證類研究為輔.其中，近5年國內(nèi)非實證類研究共計15篇，占比63%.實證類研究共計9篇，占比37%.而在這些實證研究中，主要是以質(zhì)性研究為主，其相關(guān)文獻數(shù)量達到6篇，占比25%.具體來說，研究中所使用的方法多數(shù)都是通過構(gòu)建教學(xué)模型來進行的.此外在實證研究中，質(zhì)性研究和量化研究相混合的發(fā)文量很少，占比輕.其中，量化研究的文獻也較少，只有2篇，占比8.3%.混合研究近5年只發(fā)表了1篇，占比4%.該數(shù)據(jù)表示國內(nèi)STEM物理教育的研究方法較為單一，量化研究較少.根據(jù)國內(nèi)STEM物理教育研究方法的現(xiàn)狀，筆者建議研究者在未來可以采取更多元化的方法進行研究，如用調(diào)查問卷法、訪談法等等，以此更準確地定位研究對象的STEM物理教育現(xiàn)狀.

3.3 研究內(nèi)容

最后，筆者再對這24篇文獻的研究內(nèi)容進行了歸類和分析統(tǒng)計，得到其具體的研究情況如表3所示.

表3 2016-2020年國內(nèi)STEM物理教育研究內(nèi)容

由表3可知，國內(nèi)STEM物理教育研究內(nèi)容主要集中在關(guān)于STEM物理教育教學(xué)設(shè)計、STEM教育在物理教育中應(yīng)用和物理教學(xué)實踐這3大主題上，按其發(fā)文量和占比降序排列依次為：STEM物理教育的教學(xué)設(shè)計研究(發(fā)文8篇，占比33%)、STEM在物理教育中的應(yīng)用研究(發(fā)文6篇，占比24%)、STEM物理教育的教學(xué)實踐研究(發(fā)文3篇，占比12%)、物理STEM課程研究(發(fā)文2篇，占比8%)、STEM在物理教育的發(fā)展現(xiàn)狀(發(fā)文2篇，占比8%)，另外STEM教育與創(chuàng)客教育的相關(guān)性研究、STEM物理教育研究綜述和STEM在物理教育中的啟示(發(fā)文1篇，占比4%).

其中，針對STEM在物理教學(xué)中的教學(xué)設(shè)計主要是圍繞初中、高中和大學(xué)的物理教學(xué).著重圍繞培養(yǎng)學(xué)生STEM相關(guān)方面的素養(yǎng)進行教學(xué)設(shè)計.相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)基于STEM理念的物理教學(xué)不僅可以提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，還能夠有效提高學(xué)生的動手能力、工程能力以及提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)的自我效能感.例如，文獻[2](2018)提出了與物理教育對接的STEM教育模式，分別從STEM教學(xué)模式中的“指定式”“半開放式”和“開放式”3種模式逐漸引導(dǎo)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)，通過3個教學(xué)案例提出了STEM教學(xué)的實施框架一般是：解決一個實際問題→將復(fù)雜的問題進行分解→逐一探究學(xué)習(xí)→完成任務(wù)并展示評價.通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)STEM教育模式可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng).再如文獻[3](2017)將3D打印技術(shù)和高中物理STEM課程相結(jié)合，并通過問卷調(diào)查和學(xué)生訪談的形式調(diào)查了學(xué)生在接受STEM課程之后接近80%的學(xué)生認為STEM課程和在課堂中引入3D建模、3D打印的環(huán)節(jié)能夠有效激發(fā)自己的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂參與度.研究發(fā)現(xiàn)STEM物理教育對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課堂趣味性的提高，豐富課堂教學(xué)手段和促進師生、生生之間的交流有著良好的作用.基于STEM理念的教學(xué)設(shè)計，其中學(xué)科的融合性和學(xué)生的動手與交流是其主要的特點，將學(xué)生分成若干小組，盡量保證每個小組的成員都有其在自身方面的優(yōu)勢，讓學(xué)生在完成STEM項目的過程中不僅能夠主動的思考和動手，還可以幫助學(xué)生發(fā)展自己的優(yōu)勢和學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點.

此外，針對STEM物理教育研究主要集中在STEM在物理教學(xué)中的如何應(yīng)用.例如文獻[4](2019)提出高中物理教學(xué)中應(yīng)用STEM時，要有效把握STEM教育的切入點，注重理論教學(xué)與STEM教育的有效整合和以生活為情境凸顯STEM教育的實踐性3個考慮因素，并提出教師要研究STEM的基本理論，將物理教學(xué)中的實際情況融入在教學(xué)實踐中，引導(dǎo)學(xué)生明確物理學(xué)科與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì).再如文獻[5](2018)提出可以在物理教學(xué)中融合STEM理念和zSpace技術(shù)，認為在物理教學(xué)中常常會遇到一些抽象程度很高的物理概念，學(xué)生沒有足夠的感性認識去了解這些概念.教師在面對這樣的情況時可以虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace交互式學(xué)習(xí)一體機應(yīng)用于其中，在模擬一些抽象的物理概念和危險的物理實驗的同時，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面的能力，并且指出將STEM應(yīng)用在物理教學(xué)中可以有效地培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)能力和物理核心素養(yǎng).又如文獻[6](2019)提出了STEM教育在大學(xué)物理實驗教學(xué)的應(yīng)用，提出大學(xué)物理教學(xué)中結(jié)合STEM有助于學(xué)生的角色轉(zhuǎn)變，能夠盡快適應(yīng)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力.文獻[6]提出在如今的中學(xué)物理實驗教學(xué)中依然存在著重理論、輕實踐的弊端.為了讓學(xué)生升上大學(xué)后可以擺脫這種狀況，則可以結(jié)合STEM中的項目式的學(xué)習(xí)方法.通過制定項目-設(shè)計方案-實施方案-交流與評價4個過程來培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，提出在 STEM 教育理念下引進項目式學(xué)習(xí)，提倡“在做中學(xué)”，能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性，提升學(xué)生的創(chuàng)造力，讓學(xué)生學(xué)會靈活運用綜合知識解決實際問題，可以有效地改善大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀.由于STEM教育的特點和優(yōu)勢與物理教學(xué)中所要培養(yǎng)的學(xué)生素養(yǎng)相契合，STEM與物理教學(xué)的結(jié)合可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，因此無論其在初中、高中甚至是大學(xué)的物理教學(xué)中都是合適的.

最后，國內(nèi)STEM物理教育集中研究的點在于基于STEM理念的物理教學(xué)實踐.例如文獻[7](2019)提出通過給學(xué)生設(shè)置一個制作簡易密度計的項目來測試學(xué)生是否可以在完成項目的同時達到相應(yīng)的物理教學(xué)目標(biāo)和STEM的教學(xué)目標(biāo).通過實踐發(fā)現(xiàn)，雖然在教學(xué)過程中沒有向?qū)W生提及任何有關(guān)STEM的理念，但是經(jīng)過項目實踐后，學(xué)生不僅達到了物理教學(xué)目標(biāo)的要求而且在STEM的4個維度都達到了相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生的能力都有了整體的提高.再例如文獻[8](2020)提出在大學(xué)的半導(dǎo)體物理的教學(xué)中融合STEM理念也會帶來積極的效果.提出半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)可以采用 STEM 教育理念的教學(xué)模式、注重實驗教學(xué)，培養(yǎng)工程實踐能力、轉(zhuǎn)變評價方式，建立長效激勵制度和引入 Materials Studio 計算軟件，提高科研能力.文獻[8]提出半導(dǎo)體物理屬于交叉學(xué)科，知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)較為枯燥，許多學(xué)生對此學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)起來存在一定的困難，通過將物理教學(xué)與STEM相融合，教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力.

4 結(jié)束語

通過對近5年發(fā)表于國內(nèi)期刊的STEM物理教育研究國內(nèi)相關(guān)文獻進行統(tǒng)計分析，筆者發(fā)現(xiàn)：首先，從研究對象來說，主要是以高中生、初中生為主要的研究對象，大學(xué)生和少數(shù)民族學(xué)生的偏少；其次從研究方法上說，主要是非實證性研究為主，實證性研究較少；最后從研究內(nèi)容來說，研究主要集中在STEM物理教學(xué)設(shè)計、教學(xué)實施和STEM在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究這3個領(lǐng)域上.由此可見，國內(nèi)關(guān)于這一領(lǐng)域的研究比較集中，國內(nèi)STEM物理教育依然有很大的研究空間.物理教育的研究者應(yīng)該根據(jù)目前國內(nèi)該領(lǐng)域中研究現(xiàn)狀以及不足，從而更全面、更細致地進行STEM物理教育的研究，為幫助學(xué)生的綜合發(fā)展推開一扇光明之門.