人教版高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素分析

摘 要： ＳＴＥＡＭ教育將科學、技術、工程、藝術和數學等學科知識有機融合。實現了知識的獲取、方法與工具的利用以及創新生產的過程的統一。這與核心素養在人才觀、創新觀與知識觀等方面具有較高的結合度。通過研究人教版高中物理必修一教材，界定了教材中的ＳＴＥＡＭ相關元素，并對其進行了定性和定量分析。教材中的ＳＴＥＡＭ元素，有利于打破學科界限，立足真實情境，培養學生的創造力。同時，對教師在教材使用過程中運用其中的ＳＴＥＡＭ元素培養學生的能力提出了建議。

關鍵詞：ＳＴＥＡＭ教育理念；高中物理；教材分析

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0021-5

隨著科技的高速發展，教育改革的目標已轉向培養創新型人才以驅動國家的發展。為滿足新時代人才培養的需求，教育除了培養學生的“學科素養”外，還需關注“核心素養”的培養。ＳＴＥＡＭ是一種科學、技術、工程、藝術、數學等多領域相互融合的綜合性教育理念和教育模式，與核心素養在人才觀、創新觀與知識觀等方面具有契合點，這為STEAM教育與核心素養的對接提供了可能性［１］。

１ ＳＴＥＡＭ教育理念現狀研究

我國在２０１４年首次引入ＳＴＥＡＭ教育理念，自２０１５年起，教育部發布文件提出探索ＳＴＥＡＭ教育和創客教育等新模式。至２０２１年，國務院發布《全民科學素質行動規劃綱要（２０２１—２０３５年）》，推進并完善了信息素養建設。據《２０２２年中國青少年ＳＴＥＡＭ教育研究報告》顯示，江蘇、山東、河南等省份已出臺相關政策推進ＳＴＥＡＭ教育的有效實施。

ＳＴＥＡＭ教育的提倡者Ｇ．Ｙａｋｍａｎ［２］提出，ＳＴＥＡＭ教育著重于數學和學科教學，培養在真實情境中解決問題的能力，有利于培養具有綜合素質的創新型人才和終身學習能力。范文翔等人［３］總結出美國ＳＴＥＡＭ教育主要聚焦于現實世界的問題與挑戰，通過工程設計流程制訂解決方案，協作學習進行開放式探索，并鼓勵答案多樣化。還指出了ＳＴＥＡＭ教育的內涵［４］包括跨學科整合、從做中學、創新意識、基于項目與問題、依托工具與資源、真實情境下的探究、多元主體共同參與的教育。魏曉東等人［５］總結了ＳＴＥＡＭ教育的特點是借助教育信息化手段促進學生的深度學習，在從“我”到“我們”的角色轉變中實現團隊合作，以及以項目為中心培養學生解決實際問題的能力。

ＳＴＥＡＭ教育是基于項目式的教學模式，其基本特征為跨學科性，通過多門學科融合，創設真實的教育教學情境以培養學生的創新意識與實踐能力［６］。新課標中［７］也將跨學科主題具體劃分為日常生活類、工程實踐類、社會發展類，同時強調要把提高學生的綜合素質作為高中階段教育的培養目標。可以發現，研究者們已經注意到了ＳＴＥＡＭ教育的重要性。

學科教學是ＳＴＥＡＭ教育的主要陣地，教科書是依據課程標準研制的、便于教師教與學生學的基本教學媒介［８］。我國對ＳＴＥＡＭ教育與國內主流教材相融合的研究已有不少，但其主要研究學段多為小學［９］，其次為初中［１０］，目前少有學者對高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素進行研究。物理學是科學發展的基礎，許多科學領域都依賴于物理學的理論和方法，諸如化學、生物學、地球科學等學科都有著密切的聯系。新課標提出高中教育應為學生適應社會生活、高等教育和職業發展做準備，注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求，以現代信息技術的形式引導學生理解物理學的本質，從“知道什么”到“運用知識能做什么”的教育目標與教育理念的轉型。因此，本文以２０１９版人教版高中物理必修一教科書（以下簡稱“必修一”）為研究對象，采用定量與定性分析方法，對其中蘊含的ＳＴＥＡＭ元素進行深入分析，為一線教師提供參考。

２ 基于ＳＴＥＡＭ教育理念對必修一進行分析

２．１ 教材中ＳＴＥＡＭ元素的界定

ＳＴＥＡＭ元素可細分為科學（S）、技術（T）、工程（E）、藝術（A）、數學（M）五大板塊。Ｇ．Ｙａｋｍａｎ將ＳＴＥＡＭ各元素界定為：科學（S）是自然存在的東西以及它是如何受到影響的；技術（T）是人為制造的產物；工程（Ｅ）是基于數學和科學的創造力和邏輯，利用技術作為連接劑為世界作出貢獻；數學（Ｍ）是數字和運算、代數、幾何、測量、數據分析和概率、解決問題、推理和證明、溝通，是解決一切科學問題的基礎；藝術（Ａ）是社會如何發展、影響、交流和理解其過去、現在和未來的風俗習慣。

如表１所示，具體到物理教材中，科學（S）對應科學知識，是新課標規定的學生應當掌握的物理觀念；技術（T）是在學習物理學相關知識后，可以進行物理學相關儀器的操作；工程（E）是介紹物理實驗儀器或者是向學生科普當代高端儀器的原理和使用，是技術的開發與應用；藝術（A）是使用物理學史和名人名言等形式進行課堂導入或者輔助課堂教學，以加強學生的人文底蘊和藝術熏陶；數學（M）則是對實驗數據的計算或是通過數學的方式推導物理定理與公式。

２．２ 必修一ＳＴＥＡＭ元素的定量分析

通過對必修一各章節正文部分和各個欄目進行分析研究，必修一全書Ｓ、Ｔ、Ｅ、Ａ、Ｍ各元素總數為９５個，內容豐富。例如，第一章《運動的描述》中學習到打點計時器和圖像分析，第三章《相互作用——力》和第四章《運動和力的關系》都是以實驗和計算的方式推導物理公式，運用較多的技術與數學元素；第二章《勻變速直線運動的研究》不光通過實驗進行理論知識的推導與學習，且有大量的物理學史內容，技術、數學、藝術等元素都較為豐富。

ＳＴＥＡＭ各元素在必修一中的數量與占比如圖1、圖2所示，科學知識（Ｓ）元素占比達到了４５％，占據了最大的板塊；科學知識在情境中的應用技術（Ｔ）和數據分析處理的數學（Ｍ）分別占２３％和１５％；物理相關的工程制品（Ｅ）和藝術（Ａ）分別占９％和８％。由此可見，目前必修一中ＳＴＥＡＭ各元素都占了一定的比重。除科學（S）元素外，應用技術（Ｔ）的占比較大。演示實驗和探究實驗較為豐富，有利于培養學生的動手能力。必修一中，由于有比較豐富的物理學史內容，如伽利略研究物體在斜面運動和自由落體運動，所以藝術（A）的比重也達到了８％，有益于豐富學生的物理學史知識，形成持之以恒、實事求是的科學態度。

２．３ 必修一各欄目中ＳＴＥＡＭ元素的定性結果分析

必修一除正文部分外還有各個欄目作為拓展，分別為“問題”“實驗”“做一做”“演示實驗”“插圖”“復習與提高”“旁批”“科學方法”“ＳＴＳＥ”“科學漫步”等，這些拓展欄目更多地表現了教材中科學知識（Ｓ）以外的其他元素。

“問題”是在各個章節新課導入中都有設置的欄目，其主要內容有插圖和文字描述。通過介紹生活中常見的物理情境進行課堂導入。引導學生思考問題，激發學生的學習興趣。問題的內容豐富多樣，呈現了多種ＳＴＥＡＭ元素，如第二章第四節“問題”的插圖展示歷史意義濃厚的意大利比薩斜塔為藝術（Ａ），第四章第三節展示了現代工程技術的賽車為工程制品（Ｅ）。

“實驗”在新版教材中強調了“探究”的重要性。本教材中的實驗目標為培養學生的實驗技能和分析實驗數據的能力，培養學生的物理綜合能力。必修一共８個實驗，以探究實驗為主。如第三章第一節中“探究彈簧彈力與形變量的關系”，在初中階段，學生已經知道彈簧在形變時產生的彈力與彈簧的伸長量有關，但卻不知道它們之間的定量關系。教師將這一相對獨立的項目交給學生進行探究，最后收集所得的數據并對其進行計算得出結論，呈現了ＳＴＥＡＭ教育基于項目和問題的學習特點，有利于引導學生以數學為基礎、以實驗為方法解決物理學習中遇到的問題，推導得出相應的物理結論。

“做一做”主要是課外小活動，體現了現代工程技術與課堂學習的結合。教材中“做一做”欄目設置的難度不高，農村孩子和城市孩子都可以簡單地運用所學物理知識實現。如教材第４７頁通過手機APP測量當地自由落體加速度，實驗非常簡單，但卻運用到了ＳＴＥＡＭ教育跨學科的思想，在課外活動中利用計算機信息技術和物理學科的整合，鞏固學生課堂所學習的物理概念和物理規律。

“演示實驗”是教師利用儀器設備或者多媒體教具進行科學演示，學生觀察實驗現象并進行思考。本欄目著眼于結合實驗，幫助學生理解較為抽象的物理原理，培養學生的邏輯思維能力。但如果條件允許，演示實驗最好可以改為探究性實驗。如教材第６２頁中“靜摩擦力的大小隨拉力的變化”完全可以由學生進行小組合作探究，培養他們的實踐能力和科學思維。

“插圖”在必修一教材中大量使用，豐富了教材內容，避免了純文字可能帶來的枯燥。必修一共１７８張插圖，包含了物理情境的創設，物理實驗儀器的展示，著名物理學家的肖像及其工作場景，實際生活中的工具等。加強了物理學科與生活和其他學科的有機融合，提高教材的可讀性、啟發性和趣味性，在一定程度上也能彌補部分學校可能存在的硬件設施不足的問題，有利于物理課程跨學科的展開。

“復習與提高”由較為簡單的Ａ組題和用于鞏固提高的Ｂ組題構成，設于每章的章末。其解題過程涉及到了應用物理規律，建構物理模型，還有科學推理和數學運算等多方面的知識。難度階梯式分布，適用于不同能力的學生。每一節的“練習與應用”中，題目結合了生活中的真實情境、當今社會科技前沿信息和中華民族優秀傳統文化。如教材第１３頁，題目要求根據詩句分別分析其中的參考系；第３９頁，分析嫦娥三號探測器的速度；第４５頁，分析滑躍式起飛時飛機的速度。這些題目中不僅蘊含了跨學科的知識，同時也體現了藝術、工程和物理、數學的結合。

“旁批”的目的在于對正文的內容進行特別強調，有利于培養學生的科學創新思維和物理觀念。如教材第４５頁的旁批“伽利略通過邏輯推理，首先指出……研究中所體現的批判精神是創新所必要的。”這個旁批要求學生不盲從權威，懷有批判精神，敢于質疑，加強學生創新思維的培養。

“科學方法”在必修一中只有第８６頁“控制變量”這一個欄目，這是進行物理規律實驗探究中最常用的方法之一，該方法貫穿于整個中學物理學習過程，是學生設計實驗時必須掌握的方法。

“科學漫步”主要介紹物理學史和當前的高端科技，“ＳＴＳＥ”是指科學、技術、社會、環境。二者共同的作用是通過展示當代科技的發展豐富學生的知識面，開闊學生的眼界，通過學習物理學史對學生進行藝術熏陶，培養學生的科學素養和人文主義素養。

ＳＴＥＡＭ教育的基本理念是打破學科界限，其廣義即為通過科學、技術、工程、數學等學科融合，在日常生活、工程實踐、社會發展三個方面培養學生的實踐能力和創新能力；而狹義即為將中學物理課程與其他中學課程相結合。從上文的分析中我們可以發現，當前教材采取的是以科學知識為主，通過物理實驗和數學推導的方式來輔助學生學習科學知識，進而更好地形成嚴謹的科學態度，培養學生的科學思維，提升科學探究能力。

教材中涉及到的實驗操作、物理知識傳授，都以真實情境為基礎，立足于真實情境將抽象的物理知識與學生具體的生活相聯系，達到知識的遷移與運用。通過項目式學習讓學生在教師的引導下以小組的形式進行實驗探究以解決問題，有助于培養學生的團隊精神，形成責任意識。

教材在最后“課題研究”部分提供了一個研究樣例“球形物體空氣阻力大小與速率關系的研究”和一個參考選題“橡皮筋彈力與伸長量關系的研究”。研究樣例以解決問題為導向，在教師的指導下由學生小組合作進行實驗探究，采用高頻數碼相機和計算機進行數據記錄與分析，促進學生深度學習。學生在學習完研究樣例之后，需要自己歸納總結，并針對參考選題設計實驗，有助于學生創造力與解決問題能力的培養。

３ 結 論

ＳＴＥＡＭ教育理念正逐漸成為當前我國教育界培養學生核心素養的一種新的手段，教材中蘊含著豐富的ＳＴＥＡＭ元素。教師在使用教材進行教學的過程可以與學科核心素養相結合。教師在使用教材時，不僅要注重科學物理觀念，也要關注技術和數學的物理建模與數學推理，培養學生的科學思維；基于工程的觀察和實驗提出物理問題，培養學生的科學探究能力；認識科學本質，在人文藝術和自然科學的相互作用下，逐漸引導學生形成持之以恒、實事求是的科學態度，和推動國家乃至世界進步的責任感。教師在講解教材內容時，除了教授基礎知識之外，還要靈活運用多種教學方法并結合現代信息技術創設符合大多數學生生活經驗的真實情境。課后增加實踐類型的作業，培養學生運用知識的能力，提高核心素養。

ＳＴＥＡＭ教育理念從ＳＴＥＭ教育發展而來，其內涵不斷豐富，未來有發展為ＳＴＲＥＡＭ教育（添加了讀寫能力“Ｒｅａｄｉｎｇ／ｗＲｉｔｉｎｇ”）的趨勢［１1］，面向學生的全面發展。結合我國目前新課標的要求，著眼于培養學生的建模與推理，注重分析與表達，重視技能與方法，培養觀念與責任等方面。我國現行主流教材已有ＳＴＥＡＭ元素，教師在授課過程中可以充分利用教材中的這些元素，培養學生的綜合能力。此外，教師也應積極將ＳＴＥＡＭ理念與學科核心素養進行有效對接，發揮ＳＴＥＡＭ教育理念的優勢，為培養高素質的創新型人才作出貢獻。

參考文獻：

［１］袁利平，張欣鑫．論ＳＴＥＡＭ教育與核心素養的對接［Ｊ］．陜西師范大學學報（哲學社會科學版），２０１７，４６（５）：１６４－１６９．

［２］Ｙａｋｍａｎ Ｇ，Ｌｅｅ Ｈ． Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｘｅｍｐｌａｒｙ ＳＴＥＡＭ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｕ．Ｓ． ａｓ ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｋｏｒｅａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０１２，32（６）：１０７２－１０８６.

［３］范文翔，趙瑞斌，張一春．美國ＳＴＥＡＭ教育的發展脈絡、特點與主要經驗［Ｊ］．比較教育研究，２０１８，４０（６）：１７－２６．

［４］范文翔，張一春．ＳＴＥＡＭ教育：發展、內涵與可能路徑［Ｊ］．現代教育技術，２０１８，２８（３）：９９－１０５．

［５］魏曉東，于冰，于海波．美國ＳＴＥＡＭ教育的框架、特點及啟示［Ｊ］．華東師范大學學報（教育科學版），２０１７，３５（４）：４０－４６.

［６］李治，謝麗．ＳＴＥＭ教育融入我國中學物理教育研究的現狀——基于５種中學物理教育專業期刊的分析［Ｊ］．物理教師，２０２３，４４（３）：２－５．

［７］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０.

［８］《教育學原理》編寫組．教育學原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０１９：２２８.

［９］宋乃慶，蔣秋，高鑫．ＳＴＥＡＭ教育理念在我國小學數學教科書中的滲透探析［Ｊ］．課程·教材·教法，２０２０，４０（６）：８１－８８．

［１０］楊楠，程琳．ＳＴＥＡＭ教育理念在人教版初中物理教科書中的滲透運用研究——以人教版八年級上冊物理教科書為例［Ｊ］．新課程導學，２０２２（１）：９７－９８．

［１1］趙慧臣，陸曉婷．開展ＳＴＥＡＭ教育，提高學生創新能力——訪美國ＳＴＥＡＭ教育知名學者格雷特·亞克門教授［Ｊ］．開放教育研究，２０１６，２２（５）：４－１０．

（欄目編輯 劉 榮）