STEM教育理念下的初中物理實驗教學研究

徐 婷，徐 萌

STEM 教育包含科學、技術、工程、數學四個方面，最早由美國國家自然科學基金會教育在課程開發時提出，其目的是利用解決問題的方式實現跨學科的知識整合。STEM 教育通過團隊合作，在解決實際問題的過程中進行跨學科學習。STEM 教育適應素質教育的發展方向，符合培養學生創新實踐能力的要求，可以使學生在情境中，通過探究合作，解決一個實際問題。這樣的教育理念可以使素質教育真正走進課堂。

一、STEM教育的教學方法

（一）PBL教學法

為了培養學生的STEM 素養，教師最常用的方式是PBL 教學法和6E 教學法。PBL 是Project Based Learning的縮寫，意為基于項目的學習，這種教學方法以一個項目為核心開展學習活動。學生需要解決來自真實情景的復雜問題，在教師提出的實際問題的基礎上確定研究思路和解決方案，并在解決問題的過程中學習和應用學科思想。在此過程中，培養創新思維和工程技能是最終目的。基于項目的學習目標是對教材內容以外知識的體驗與經歷，能夠豐富學生對外在人和事物的認識。

相比PBL 教學模式的單一項目，STEM 教學模式中包含多個項目，更能激發學生產生持續不斷的學習動機與探索欲望。STEM 學習通過創設真實情境，在生成產品的過程中汲取學科核心概念和技能，培養創新思維和工程技能。兩者均是讓學生在問題或項目的驅動下完成學習任務，都是提倡多元化教學模式和多樣化教學評價。［2］

（二）6E教學法

1989年，王健提出“5E”教學法。它由參與、探索、解釋、提煉、評價五部分整合而成。此模式旨在激發學生求知欲望進而自發探究和建構知識體系。然而“5E”教學法缺少了工程設計環節使學生缺乏操作實踐技能。

在此之后，學者Burke 將設計與擴展整合到“5E”方法中，從而提出“6E”教學法。“6E”教學法契合STEM 教育的基本特點，它以情景或問題為出發點，學生通過工程設計環節自主綜合運用多學科知識，從而生成產品。“6E”教學法主要包括六個過程：引入、探究、解釋、工程、豐富、評價，相比于“5E”教學法，“6E”教學法加入了工程元素，豐富了“5E”教學法，增加了工程建造、模型設計思想。

二、在物理教學中融入STEM理念的必要性

（一）STEM理念能夠促進物理核心素養的落實

中學物理課程改革重點強調物理核心素養的落地。構建從生活經驗出發、以學科內容為基礎、以核心素養為指導方向的中學物理課程。強調“注重多學科的橫向配合，建議中學進行科學探究與技術應用相整合的跨學科學習活動，以此增強學生科學意識和實踐能力”。新課程標準強調“創設情境提升跨學科技能并樹立正確的科學觀和價值觀”。

STEM 理念強調了物理教學的實踐性，在實踐中增強解決問題的能力，并將其運用到生活中，從而加深對知識的理解。從認知維度出發，STEM 理念注重解決問題的過程，學生在解決問題時會關聯到其他學科的知識，從而實現多學科思維的結合。學生在STEM 理念引導的課堂中，會對問題產生求知的欲望，進而主動查詢知識找到解決問題的辦法，有效提升了學生們靈活運用知識的能力。

（二）STEM教育能夠發展學生的物理技能

發展學生技能是物理課程標準中提出的教學要求。STEM 教育理念強調做中學，注重創設實踐操作活動，強調給學生提供動手、動腦的機會，通過實踐學生既能透過現象發現規律，又能體驗到探究的樂趣，還能鍛煉操作技能。立足初中生的發展情況，在實施操作實踐互動的時候，教師可以引導學生模仿，從模仿中實現“做中學”。比如，在引導學生學習“杠桿”的時候，教師聯系物理與現實生活的關系，從生活搜尋桿秤，引導學生模仿制作桿秤，并利用制作的桿秤對物體進行稱重。學生體驗這樣的模仿活動，借助自身的感知建立對杠桿的直接認知，便于發展物理探究能力，提高操作技能。

（三）STS教育能夠成為STEM理念的載體

STS是科學science、技術technique、社會society三個單詞的第一個字母的縮寫，即科學技術與社會教育。STS教育強調知識的實用性和社會價值，注重科技前沿、生活實際等與物理學科的結合，注重引導學生從實際情景出發關注物理知識，體現了物理課程標準中“從生活走向物理，從物理走向社會”“注意學科滲透，關心科技發展”兩個基本課程理念。STS教育能讓學生了解自然界事物的相互聯系，加強學科間的聯系與滲透，關心科學技術的新進展，關注科技發展給社會進步帶來的影響，逐步樹立科學的世界觀。STEM 教育中的跨學科并不是各門學科知識進行累加，而是強調知識之間的聯系和整合，并將其運用到真實的情境中。可見，物理課程中的STS 教育與STEM 教育理念完美契合，STS 教育是STEM理念的重要載體。

物理新課程標準重點強調了物理與技術、社會的聯系。課程內容有兩個模塊側重物理學與社會科學、人文科學的融合，三個模塊側重從技術應用的角度展示物理學。近年來出現許多聯系科技、生產、生活實際的新穎問題，是中考命題的一個重要方向。如2021年長春市中考物理試卷第7題：

氣凝膠是當今世界上密度最小的固體。這種新材料具有隔熱、絕緣能力強、堅固耐用等特點。這種材料不適合制作（ ）。

A.用電器絕緣外殼 B.導線 C.冰箱隔熱材料 D.墻體保溫板

本題的素材來自人教版八年級物理上冊中STS部分的內容，如圖1所示。

圖1 教材中的某一STS內容

STEM 教育理念強調創設情境，以項目式教學開展學習活動。在科學探究過程中小組合作設計方案，反思交流進行修正，形成最終產品并解決實際問題。基于STEM 教育理念的物理學習活動強調任務驅動教學，學生在問題驅動下搜集資料合作探究，從而更深入理解物理概念以及物理本質。設計探究方案的過程有利于培養學生的科學思維方法與建構模型的能力，與此同時，科學推理過程能夠讓學生正確認識科學本質，形成實事求是、追求科學創新的意識。物理學強調以觀察日常生活與動手操作為基準，建構模型，在科學演繹中形成理論體系。綜上所述可知兩者都是基于自然現象，使學生通過觀察、思索、探究等環節解決問題，因此將STEM理念融入初中物理教學是切實可行的。

三、在物理教學中落實STEM理念的途徑

（一）模仿制作，培養學生工科思維

初中生動手制作經驗不足，教師可以降低難度，引領學生模仿制作，使其領悟裝置的工作原理。在教師的引導下，學生以項目驅動為載體，通過小組合作的形式，最終形成實物作品。

例如“杠桿”的教學，教師可以給學生留實踐作業，讓學生結合自己的生活經驗和杠桿知識嘗試做桿秤。這個過程不僅會用到杠桿的平衡知識，還會運用數學和工程方面的理論。標注桿秤的刻度和單位時，需要學生清楚數理之間的關系，通過動手制作使工程技術理念根植于學生心中。［3］

又如“物體浮沉條件及應用”的教學，可以通過制作潛水艇培養學生“在做中學、在學中做”的工程思維。［4］在學生了解潛水艇的基本結構后，教師給學生提供制作的工具，引導學生利用浮沉條件的知識，以小組合作的形式進行潛水艇制作。學生動手制作體驗潛水艇，能夠在工程制作過程中培養學生的工程素養和技術素養，增強學生的物理模型建構能力。整個教學活動以STEM教育理念為基礎，以設計制作潛水艇項目為驅動，是典型的STEM 項目的學習案例。

（二）科學探究，培養學生科學思維

2018年，鐘柏昌教授將STEM 教育分為兩個方向，一種為作品開發，另一種為科學探究。作品開發方向側重形成實物成果，科學探究方向更側重知識性成果的生成，如圖2所示。

圖2 STEM教育的主要方向

科學探究是指通過觀察和實驗提出物理問題，對該物理問題猜想質疑，然后設計實驗方案得出結論并解決問題，最后通過交流評價深化對物理觀念的理解并遷移應用。物理課程標準強調研究式教學模式，讓學生在情境中掌握科學探究的流程。STEM教育理念提倡體驗性及情境性的特點與科學探究式教學的特點不謀而合。筆者以“變阻器”一課的教學設計為STEM 案例，通過引導學生探究滑動變阻器的制作過程及如何使用滑動變阻器，研究落實STEM理念的過程。［5］

四、STEM理念下的物理教學設計實例

科學思維是物理核心素養的要素，STEM 理念是物理核心素養的重要載體，所以教師在教學中應關注學生科學思維的發展。“變阻器”教學設計以建構滑動變阻器的“結構”模型為思路，以學生實驗為核心，以任務驅動為載體，培養學生的科學思維。［6］

（一）“變阻器”的教學設計

在STEM 理念下思考“變阻器”的教學設計，主要將STEM理念的第二個方向“科學探究”融入教學設計。將教學目標定位在以原理為根本、使用為關鍵，而這些都與變阻器結構緊密相關。因此，筆者在變阻器的教學實踐中引領學生生成了知識性成果。

1.教學目標

（1）能說出滑動變阻器的構造，畫出它在電路圖中的符號，理解變阻器的工作原理。

（2）會把滑動變阻器正確連入電路來改變電路中的電流及用電器兩端的電壓。

2.素養目標

練習使用滑動變阻器，意在讓學生在聯系實際、解決具體問題的過程中鞏固、深化和活化知識，看到自己在學習中的收獲。新課標重科學探究，突出問題導向，強調真實問題情境，引導學生在不斷探索中解決物理問題，發展物理核心素養。

3.教學重難點及突破

變阻器是初中物理電學實驗器材的重要組成部分，變阻器的學習直接影響到伏安法測電阻、伏安法測量電功率的學習。本節的教學重點是知道變阻器的工作原理，教學難點是按照要求正確連接變阻器。為突出教學重點，教學的關鍵環節是教師引導學生考慮如何改變電路中小燈泡的亮度，進而引出通過改變電阻來達到改變電流的目的。突破教學難點的關鍵是讓學生通過把變阻器接入電路的實驗，體會并發現如何正確連接變阻器。

STEM 理念的最大特征是跨學科性，物理新課程標準中提出了跨學科實踐板塊，提到：突出問題導向，重視遷移能力的培養。創設聯系生活、工程、社會等真實問題情境，引導學生發現問題、提出問題、分析問題和解決問題，通過觀察、實驗、設計和制作等活動，促進知識的跨學科遷移和整合，不斷提高學生的技術意識、工程思維和動手操作能力。所以，在物理教學中應用STEM理念是非常必要的。

（二）“變阻器”的教學流程

1.注重思維連續，科學合理引課

教師在“變阻器”教學的引課環節可以從學生思維的連續性、降低思維障礙的角度考慮。選擇用“移動”來改變燈泡亮度的“魔術”引入新課，更為科學合理。

教師在電路板上連接開關控制一個燈泡發光的電路，將電阻絲繞在電路板后，導線上連有磁體，閉合開關，燈泡發光，手戴磁戒指在電路板的前方移動，通過磁戒指和磁體的相互吸引力使燈泡的亮度發生明顯變化，激發學生探究的欲望，進而提出燈泡亮度改變是電路中哪個物理量發生改變？學生知道是電流。進而復習提問改變電流的方法：改變電壓和電阻。實驗中應用的是哪種方法改變電流？學生知道是改變電阻。繼續復習改變電阻的方法，從而順利導入新課。

2.以探究為核心，以任務驅動為載體，內化科學思維

物理課程標準中提出科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式。筆者認為科學探究不一定要經歷完整的探究實驗過程。物理學中規律的得出或者物理實驗器材的發明都體現了科學探究思想。基于此，筆者嘗試以科學探究為核心、以任務驅動為載體，進行了“變阻器”的教學設計，以期使學生內化科學推理、質疑創新的科學思維品質。

在“變阻器”教學中，無論是通過滑片的移動判斷燈泡的亮暗這一教學重點，還是如何正確連接變阻器這一教學難點，都需要學生對滑動變阻器的結構進行理解，所以筆者將變阻器的結構教學定為突破重難點的關鍵，教學過程中注重強化實驗器材工作原理的過程性教學。圖3是教師通過設問、合理引導，讓學生經歷把一根鉛筆芯變成一個滑動變阻器模型的探究過程，幫助學生經歷變阻器的制作過程，從而掌握科學的研究方法。

圖3 用鉛筆芯制作變阻器模型的過程

物理課堂教學應將物理現象背后的物理過程展現出來，讓學生經歷、體會原汁原味的物理問題，多創造他們親身經歷物理概念的形成過程，物理規律的發現過程以及物理問題的解決過程。教師應該多從物理的原始問題出發，立足于學生的認知規律進行引導，關注學生體驗知識形成的過程，幫助學生掌握科學的探究方法，讓科學探究方法成為學生樹立探究意識的堅強后盾。

3.搭建低臺階問題，細化探究過程，培養嚴謹的科學態度

讓學生經歷將一根鉛筆芯變成一個滑動變阻器模型的探究過程，需要教師精心搭建低臺階問題、細化探究過程。例如：將電阻絲纏繞在圓筒上時，是纏繞導體還是絕緣體；纏繞電阻絲時，是緊密纏繞還是留有縫隙；將彼此不絕緣的每一圈導線緊密挨在一起有什么問題；涂上絕緣漆滑片移動時只接觸到了絕緣導線的外層，不能接觸到里面的金屬導線，無法將電路連通等。

雖然本節課上學生最終沒有動手制作一個完整的變阻器，但是經歷了變阻器的發明過程，培養了學生的科學探究意識。學生在學習過程中觀察、實驗、分析、質疑，不僅夯實了知識性內容，還在獲得體驗的同時掌握了解決問題的方法，提高了解決問題的能力。波利亞說：“在教一個科學的分支（或一個理論、一個概念）時，我們應該讓孩子重蹈人類思想發展中的那些關鍵的步子，當然我們不應該讓他們重蹈過去的無數個錯誤，而僅僅是重蹈關鍵性的步子。”

4.經歷自主探究，體會變阻器的使用

科學探究是獲得物理知識和物理規律的重要手段，圖4是“變阻器使用”教學中的學生實驗電路，圖5是實驗探究表格。學生正是通過科學探究，運用歸納法總結出了變阻器的正確使用方法，使學生很好地理解了變阻器哪部分連入電路中。

圖4 學生實驗電路

圖5 實驗探究表格

學生通過探究和練習滑動變阻器的使用體驗科學探究的方法，感受科學探究的過程，了解并掌握物理探究的基本流程和思維過程。在學生經歷自主探究過后，對滑動變阻器的結構、原理及使用有了更深一步的認識，教師引領學生分析、總結將滑動變阻器連入電路要遵循什么原則。學生很容易想到應遵循“一上一下”的原則。

課堂中學生經歷了自主探究和歸納總結的過程，學生參與了知識的獲取過程，加深了對知識的理解，這樣的學習過程培養了學生的分析推理能力，有利于養成學生物理科學思維，培養學生良好的科學思維品質。

五、結語

在STEM 理念的視域下，初中物理教師應盡可能找到創新教學的突破口，將提升學生的探究能力和問題解決能力作為教學關鍵。本文以STEM 教育方法為指導、以構建項目教學為主體進行了“變阻器”的教學設計，把多領域的知識進行融合，有效激發了學生興趣，實現了知識整合，發展了學生的高階思維，并改善了當前物理教學中存在的問題。將STEM 理念融于物理實驗課中大大提升了教學的趣味性，培養了學生的認知發展和對物理概念的理解。［8］