STEM教育下學生科學探究能力的有效培養

義務教育階段學生關鍵能力培養的有效途徑是科學探究教學。STEM教育和學科教學有效整合是培養學生科學探究素養的好途徑，物理學科教育更是實施的好載體。STEM教育下的科學探究教學將物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面的科學素養培養有機整合統一，有序實施，有力促進學生創新素養發展，有效地實現全面培養學生核心素養的目標。

筆者圍繞核心素養下的學生自主探究能力有效培養進行了探索，有效整合STEM教育和物理學科教學，提升學生自主探究能力。

一、領會核心素養培養要求，確立STEM教育改革方向

STEM教育是指將科學、技術、工程、數學等基礎學科有效融合起來的教育，強調利用科學、工程方式培養學生動手探究能力，這和新課程標準落實核心素養培養，發展學生科學探究素養高度吻合，是一種很好的培養學生探究能力的教育方式。STEM教育與物理學科核心素養培養改革實質，就是以物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等學生發展要素培養為指導，改革物理課堂內外的教育教學活動方法，創新運用STEM教育方式，激發學生主動參與課堂或生活探究活動，引導學生自主探究，逐步學會學習、學會運用，從而有效培養學生的自主創新能力，使學生逐步學會如何生活、如何做人，自主持續發展，全面提高整體素質。

有效培養學生物理學科核心素養的STEM教育，就是將STEM教育和物理教育高度整合，從激發學生探究興趣開始，再到學生主動開展探究學習活動，最后實現學生自身自主創新發展。這是物理課程教學改革的重要方向和實施目標。

二、設計物理探究教學模式，奠定STEM教育實施基礎

運用STEM教育，設計有效探究教學模式，改革課堂課內外探究教學活動，創新育人方式，為實施STEM教育和物理新課程教育創新整合打好基礎。

1.有效科學探究教學模式

新物理課程標準下的探究教學，必須創設建構激勵學生自主發展的多元智能教育的物理探究活動教學模式。

我們設計了STEM教育下新的物理自主探究教學活動教學模式，即“課前導探—自主探究—分享歸納—應用實踐—升華創新”探究教學模式，以課前興趣探究導入教學，運用STEM教育理念，將物理知識探究融入每個學習活動環節，學生自主探究，共同分享、歸納，實踐應用解決實際問題，最終升華到創新運用知識解決生活問題。物理科學 探究教學的有效實施，能激發學生主動探究的興趣，發展學生自主創新學習能力，培養學生核心素養。

2.自主探究教學模式依據

STEM教育理論認為，教育過程要以學生發展為本，可通過有機整合科學、技術、工程及數學等知識，把學科知識融入生活中發現問題，引導學生主動探究解決問題，激發學生主體內在的學習動機和自主解決問題的自我成就感，這和《義務教育物理課程標準（2022年版）》一脈相承。物理課程標準強調物理教學必須利用真實情景，突出問題導向，采用多種方式開展科學探究教學。選擇適合學生主體需要的自主探究教學模式成為當前物理教育的必然要求。

三、實施自主探究教學改革，全面培養學生核心素養

根據制定的物理探究活動教學模式，創新開展自主探究能力培養改革實踐。

1.設置課前激趣探究導學，打好課堂探究活動基礎

在每節課結束時就為下一節課做好鋪墊：布置預習實驗，開展課前預設探究，為下一節課堂探究活動順利開展做好準備，激發學生主動投入探究學習的興趣。預習實驗必須選擇有趣且容易完成的，保證學生人人都能主動參與，都能動手完成。

例如在教學《電磁鐵》的前一節課結束時，可設置生活現象引導學生進行課前實驗探究：老師不小心將大頭針全灑落地上，影響同學們行走安全，請你利用老師提供的器材（或自備器材），課后設計以最快速度將大頭針收集起來的做法，下一節課前匯報方法并同時加以實驗演示說明。

設疑激趣，課前探究，就為學生下一節課主動探究新知識打下良好基礎。

2.進行預設探究成果匯報，引導主動開展課堂探究

下一節課的前五分鐘，請學生將課前設計的實驗展示匯報，解決前一節課提出的問題，引導學生主動投入到課堂新知識探究學習中。

《電磁鐵》教學中，課堂教學活動開始，請做好預習的學生利用自備或教師提供的電池、細銅導線（圈）、鐵棒、導線等器材，演示講解課前預習的收集大頭針操作方法，并說明其中的道理。

學生積極上臺演示并講解自己的方案。

教師點評：同學們都做得各有特色，那你能從物理知識的角度來解釋上述做法的道理嗎？為了弄懂其中的物理原理，我們一起來探究“電磁鐵”的知識。

這樣導入新課，激發學生主動學習的興趣，學生很自然地主動投入到實驗探究學習活動中。

3.啟發學生呈現思維過程，共同分享探究成果

（1）啟發學生匯報基礎探究，主動呈現思維發展過程

隨后，課堂探究，引導學生自主進行基礎實驗探究，自主分析處理實驗數據，講解自己實驗結論的思維形成過程，匯報展示實驗探究操作過程。特別鼓勵學生在課堂后段主動展示匯報自己的探究學習、思維推理、結論形成過程，分享交流，從而得出最終實驗結論。

《電磁鐵》基礎探究教學中，可引導學生從以下問題自主匯報，完成基本實驗探究過程。

① 提出問題。電磁鐵的磁性跟什么因素有關？請你提出猜想并利用老師提供或自備器材進行實驗探究并驗證。

② 實驗探究。引導學生主動分享自己設計的實驗電路圖，完善后進行分組實驗，得出初步探究的結論。

③ 分享匯報。學生上臺展示匯報實驗探究結論，分享探究結果。

通過這些基本活動步驟，采用科學、技術、數學的STEM教育基礎活動，在師生共同分析、共同分享過程中，引導學生初步經歷科學探究學習，并在課堂上充分展示自己的思維發展過程，主動分享基礎實驗探究結果，達到初步培養學生基本實驗探究能力的目的。

（2）引導學生運用探究結論，主動分享原理生活理解

在前面基本探究基礎上，引導學生運用基本實驗探究結論，解決基本物理原理生活應用課堂分享。

在《電磁鐵》課堂基本探究教學后，請學生分析生活中溫度報警器的原理。

當前防疫用到的一種基本人體溫度自動報警器：在水銀溫度計中封入一段金屬絲，金屬絲另一端連接電磁繼電器電磁鐵，當接觸溫度計的人體溫度超過正常值37℃時，報警器會自動報警。請結合原理簡圖簡述其工作原理。

學生上臺匯報自己的思維過程，主動闡述自己對電磁鐵應用的理解。在基本探究原理過程中，學生基礎思維能力得到進一步發展，為學生開展課后拓展探究做好準備。

4.鼓勵學生課后拓展運用，全面培養自主創新能力

利用STEM教育的工程活動，提升課后知識運用能力。課堂基本探究結束前教師要為學生課后繼續探究留下伏筆，布置課外應用制作類作業，拓展課外實驗探究能力訓練，鼓勵學生應用知識創新制作解決實際問題，培養學生的自主創新能力。

首先，教師根據探究學習內容，引導學生利用生活物品設計演示簡單制作，如制作簡易可控磁性強弱電磁鐵等。其次，啟發學生利用身邊物品完成老師堂上布置的拓展制作類作業，如創新制作生活溫度自動報警器等。最后，回歸到下節課前的自主匯報展示，學生課前演示自己制作的作品，共同分享物理知識生活應用的體驗。

第二節課前的學生生活應用創新制作展示令人驚喜：有學生利用藥瓶、電池、金屬線、導線等制成的生活溫度自動報警器；有學生用熱敏電阻代替水銀溫度計，將上述測溫反應時間過長的水銀防疫人體溫度自動報警器，改裝為即時反應的熱敏防疫人體溫度自動報警系統，提高了測溫的效率。

學生上臺分享的時間控制精確，重點展示匯報，演示效果明顯，匯報講解清楚，形成了良好的課堂教學氛圍。

5.回歸發展學生綜合能力，提高核心素養培養效率

STEM教育與物理教學整合的目的是發展學生核心素養。創新運用所學物理知識解決應用題并運用于生活，是培養物理學科核心素養的重要途徑，更是自主探究能力提高的重要體現。教學中，必須回歸課程標準要求，加強學生綜合能力訓練，結合生活應用，開展課內外創新解題應用訓練。此外，除了在課堂上讓學生完成探究解題及匯報分享外，布置學生動手完成課堂實例課后創新制作實踐作業是有效途徑。

（1）引導學生進行課堂典型例題練習

課堂教學中，在完成課前5分鐘的上一節課后探究匯報基礎上，再引導學生完成一道對應知識點的精選習題，鞏固課堂教學效果，培養學生綜合運用知識解題能力。例如，在完成《電磁鐵、電磁繼電器》課堂基本探究教學后，下一節課前布置學生完成課堂練習：

有人利用光敏電阻和電磁繼電器等器材，制成小區公園草坪夜晚自動照明工作燈，請你結合設計圖說明草坪燈工作原理。（中考題）

（2）啟發完成課后拓展創新應用制作

完成課堂練習后，啟發學生完成相應課后創新應用制作。將上述題目進行課后拓展，要求學生利用家庭生活電路器材完成簡單類的應用制作，并在下節課前和同學、老師演示分享。

結果，學生有的制作了民居夜晚噪聲污染自動報警器，有的制作了防汛水位自動報警器。學生不僅加深了對課程標準的理解，更懂得創新應用解決實際問題，提高了科學探究素養，發展了自主創新能力，學科核心素養培養達到更高層次。

綜上所述，運用STEM教育，實施創新科學探究模式教學，學生主動參與探究學習，主動創新運用，自主探究能力大大加強，學科核心素養全面提高，逐步走向創新發展，有效實現新課程全面育人目標。

注：本文系廣東省教育科學規劃2022年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目課題“新課程改革下的學生科學探究能力培養的行動研究” （課題編號：2022ZQJK003）的研究成果。

責任編輯 羅 峰