基于初中物理自制學(xué)具的 STEM 教育實(shí)踐研究

黃海勇

本文所指的學(xué)具是學(xué)生在自主學(xué)習(xí)時(shí)所使用的工具，它是幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)科學(xué)習(xí)的腳手架。學(xué)生制作學(xué)具作為探究活動(dòng)的支撐，其過程是讓學(xué)生取材于生活，突破課本實(shí)驗(yàn)器材的界限，內(nèi)化課本知識(shí)的過程。學(xué)生需要主動(dòng)收集信息和材料，根據(jù)已有知識(shí)對(duì)信息與材料進(jìn)行分析加工，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力及動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)物理學(xué)習(xí)興趣。

基于此，筆者實(shí)踐摸索出基于初中物理自制學(xué)具的STEM教育實(shí)踐的基本實(shí)施策略框架，以“凸透鏡成像的規(guī)律”一課為例展開介紹（如下圖）。

一、聚焦課本，布置學(xué)具前置作業(yè)

1. 教材、考點(diǎn)、學(xué)情分析

凸透鏡成像規(guī)律是中考常考點(diǎn)，著重考查學(xué)生收集和整理數(shù)據(jù)、分析和總結(jié)歸納的能力，體驗(yàn)物理現(xiàn)象與結(jié)論。但該課題較復(fù)雜，涉及的成像性質(zhì)有倒立、正立、放大、縮小、實(shí)像、虛像等多種組合，學(xué)生缺乏相關(guān)理論經(jīng)驗(yàn)，容易產(chǎn)生畏難情緒。實(shí)際教學(xué)有兩種處理辦法：一是驗(yàn)證課本實(shí)驗(yàn)，直接提出凸透鏡成像規(guī)律，然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此方法學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，按部就班操作即可，但容易導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械學(xué)習(xí)，會(huì)做例題但不理解現(xiàn)象。二是教師指導(dǎo)下學(xué)生合作探究，教師提前指導(dǎo)學(xué)生相關(guān)技能學(xué)習(xí)，在探究過程中設(shè)置問題一步步引導(dǎo)學(xué)生猜想驗(yàn)證，分散學(xué)生的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生分組逐步實(shí)驗(yàn)，此方法會(huì)造成學(xué)生思維僵化，對(duì)于解決與生活相結(jié)合的靈活問題時(shí)，可能無從下手。

物理源于生活而高于生活，因此解決的路徑是讓學(xué)生經(jīng)歷、體驗(yàn)、升華，從制作照相機(jī)學(xué)具開始，讓學(xué)生觀看照相機(jī)成像，由現(xiàn)象引發(fā)思考，才能更好地理解凸透鏡成像的原理。

2. 布置學(xué)具前置作業(yè)

教師根據(jù)學(xué)生性格、興趣、愛好以及學(xué)具本身制作的難易程度提前分組，每組4人，男女學(xué)生搭配。各小組按教師指引分工，包括組長(zhǎng)（領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)）、操作員（把控制作環(huán)節(jié)、控制成本）、技術(shù)員（收集相關(guān)材料）、報(bào)告員（文字編輯、美工、記錄團(tuán)隊(duì)想法并向全班展示最終成果），確保小組中事事有人做，人人有事做。

其次，教師根據(jù)學(xué)生能力層次指導(dǎo)各小組參考并嘗試網(wǎng)上四種自制照相機(jī)方案（具體方案略）。各小組也可根據(jù)其他參考資料進(jìn)行創(chuàng)作。

3. 完成學(xué)具研學(xué)策劃書

①課前準(zhǔn)備。學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，并列出項(xiàng)目名稱、學(xué)習(xí)模式、組內(nèi)分工與所選方案及選擇理由等基礎(chǔ)信息，為下階段學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

②融合學(xué)習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生踐行STEM理念，列出工具、材料與價(jià)格，是培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的重要手段。

③研學(xué)過程與記錄，包括“模型制作”與“反思增效”兩階段。第一階段是對(duì)操作過程的記錄，畫出照相機(jī)設(shè)計(jì)圖、列出制作步驟，由小組長(zhǎng)協(xié)調(diào)制作一個(gè)照相機(jī)模型，然后測(cè)試作品效果。第二階段引導(dǎo)學(xué)生反思制作過程中的問題與解決方案，回顧模型制作所包含的各學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，并提出改進(jìn)方法。

④收獲體驗(yàn)。復(fù)盤照相機(jī)模型制作的全過程，反思總結(jié)形成經(jīng)驗(yàn)。

二、展示分享，達(dá)成目標(biāo)

1. 展示學(xué)具，分享成功

小組分享各自的照相機(jī)模型，組長(zhǎng)重點(diǎn)講解制作學(xué)具過程，其他組員補(bǔ)充。教師從照相機(jī)模型的結(jié)構(gòu)、成像效果、材料、外觀，實(shí)用性、性價(jià)比等方面進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，找出各小組制作的亮點(diǎn)。

2. 學(xué)具外延，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，感受不同學(xué)科與物理知識(shí)間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)問題從感性認(rèn)知上升到理性認(rèn)識(shí)，體驗(yàn)物理科學(xué)探究的本質(zhì)。在凸透鏡成像規(guī)律中教師抓住學(xué)具共同點(diǎn)，即照相機(jī)成倒立、縮小的實(shí)像的特點(diǎn)，進(jìn)一步提出凸透鏡還可以成什么像，與什么因素有關(guān)等問題。學(xué)生參考學(xué)具研學(xué)策劃書，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告應(yīng)包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟（過程）、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（記錄）、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等內(nèi)容。

3. 自主實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生自我效能感

本課中，筆者首先播放《物距（u）、像距（v）、焦距（f）等概念的介紹》和《探究凸透鏡成像規(guī)律》微課。接著布置各小組自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告做實(shí)驗(yàn)，過程中遇到困難則回看微課、交流討論克服阻礙。同時(shí)，小組可以把自己精彩的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過圖片或視頻等方式，發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)展示。課堂上采取邊做邊學(xué)、及時(shí)回放、觀摩他人視頻等多種方式，學(xué)生互相借鑒參考并展開針對(duì)性討論，為順利完成實(shí)驗(yàn)與構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、學(xué)具拓展，學(xué)以致用

科學(xué)探究時(shí)，教師的作用不是掌控而是引導(dǎo)，在拓展性知識(shí)上幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)知識(shí)情境，讓學(xué)生在情境下更好地理解所學(xué)知識(shí)，提升實(shí)驗(yàn)操作能力。本節(jié)課結(jié)束前，教師可布置兩個(gè)拓展情景：①凸透鏡用白紙擋住一半時(shí)還能成完整的像嗎？會(huì)有怎樣的變化？②在白紙上豎直寫上“凸透鏡成像”五字，找一個(gè)透明的空礦泉水瓶，逐漸加入半瓶水，待水靜止后讓學(xué)生觀察瓶后白紙上的字。

綜上所述，教學(xué)設(shè)計(jì)引入制作學(xué)具的前置作業(yè)，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，訓(xùn)練學(xué)生的思維遷移和創(chuàng)新能力；也幫助學(xué)生建構(gòu)了凸透鏡成像特點(diǎn)的幾何光學(xué)模型，以“做”為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生參與科學(xué)探究活動(dòng)，鍛煉科學(xué)思維能力，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

注：本文系中國(guó)教育科學(xué)研究院中國(guó)STEM教育2029行動(dòng)計(jì)劃立項(xiàng)課題“基于初中物理自制學(xué)具的STEM教育實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：2020STEM042）研究成果。