基于STEM教育的初中物理歐姆定律探究式教學研究

摘要：本研究基于STEM教育理念，探討了初中物理歐姆定律教學中培養學生核心素養的有效方式.STEM文章圍繞歐姆定律主題，設計了探究式教學活動.通過實例講解和公式演示，幫助學生理解概念；通過實驗操作和數據分析，讓學生親自探究歐姆定律，培養實驗觀察和數據處理能力，鼓勵自主探究和合作學習，設計實驗方案、收集數據、分析結果，從而培養科學探索精神和創新意識.研究結果顯示，探究式教學模式可以提高學習效果，培養實踐能力和科學素養，對初中物理教育具有重要價值.

關鍵詞：STEM教育；初中物理；歐姆定律；核心素養

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）20-0083-03

收稿日期：2024-04-15

作者簡介：王衛清（1975.3—），女，本科，副高級教師，從事初中物理教學研究.

隨著科學技術的不斷發展，科學素養和科學思維的培養已經成為培養學生創新能力和解決問題能力的關鍵任務之一.STEM（科學、技術、工程和數學）教育作為一種新興的綜合性教育模式，已經引起了廣泛的關注和研究.其核心理念是通過跨學科的學習，將科學、技術、工程和數學緊密結合，在實際問題中培養學生的創造力、合作能力和解決問題的能力.本研究的目標是探索基于STEM教育理念的初中物理教學模式在核心素養培養方面的效果，并為教師提供一種可行的教學方法.通過對學生的實際操作和思維過程的觀察，揭示教學模式對學生的影響，并為今后的物理教育研究和實踐提供參考和借鑒［1］.

1STEM教育理念

1.1STEM教育的概念和特點

STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的縮寫，它強調將這四個學科整合在一起，通過跨學科的學習和綜合性的實踐，培養學生解決問題的能力和創新思維.STEM教育注重培養學生的科學素養、技術能力、工程設計能力和數學思維能力，以應對和解決現實生活中的復雜問題[2].STEM教育的特點包括以下幾個方面.

（1）跨學科整合：STEM教育將科學、技術、工程和數學四個學科進行整合，強調它們之間的相互關聯性和交叉應用.

（2）實踐導向：STEM教育注重學生的實際操作和實踐經驗，鼓勵學生運用所學知識解決實際問題，培養實際應用能力.

（3）調查探究：STEM教育鼓勵學生主動參與科學調查和探究活動，培養學生的觀察、提問、實驗設計和數據分析能力.

（4）團隊合作：STEM教育強調學生之間的合作與協作，通過團隊項目和任務，培養學生的合作精神和團隊意識.

1.2STEM教育在物理教學中的應用

STEM教育與物理教學有著天然的聯系，可以通過以下方式在物理教學中應用STEM教育理念.

（1）探究性實驗：引入STEM教育思想，可以設計物理實驗活動，讓學生通過實際操作和觀察，探究物理現象和規律[3].這樣的實驗活動可以培養學生的實驗觀察能力和數據分析能力.

（2）工程設計：在物理教學中引入工程設計的概念，可以讓學生運用物理原理，設計和構建解決實際問題的產品或系統.這樣的設計任務可以培養學生的工程思維和創新能力.

（3）跨學科項目：將STEM教育的跨學科性質應用于物理教學中，可以讓學生參與跨學科的項目和任務，學習和應用不同學科的知識和技能，培養學生的綜合能力和解決問題的能力.

2歐姆定律的概念和原理

2.1閉合電路的定義和組成要素

閉合電路是指由電源、導體和負載器件組成的連通電路，它是電流可以順利流動的路徑.一個閉合電路通常由以下要素組成：電源提供電流的能量源，可以是電池、發電機或電源適配器等.導體傳導電流的介質，通常使用金屬導線.開關控制電路的通斷，可以打開或關閉電流的通路.負載器件為電流通過的目標設備，如燈泡、電動機或電子元器件等.

2.2歐姆定律公式

歐姆定律描述了閉合電路中電流、電壓和電阻之間的數學關系.歐姆定律的表述如下：在恒定溫度下，通過一個導體的電流大小與導體兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比.歐姆定律的數學表達式為U=I·R.其中，U表示電壓（單位：伏特V），I表示電流（單位：安培A），R表示電阻（單位：歐姆Ω）.在閉合電路中，當給定一個恒定的電阻時，電壓的增加將導致電流的增加，反之亦然.

3歐姆定律實驗研究

3.1實驗目的

本實驗旨在探究閉合電路中的歐姆定律，通過實驗觀察和數據分析，加深學生對電流、電壓和電阻之間關系的理解.通過基于STEM教育理念的實驗設計，培養學生的科學素養和實踐能力.

3.2實驗分析

在本實驗中，我們將通過改變電阻的數值，觀察電路中的電流和電壓變化，以驗證歐姆定律（U=I·R）.我們需要記錄和分析不同電阻值下的電流和電壓數據，通過數據的比較和計算，驗證歐姆定律的準確性，如表1所示.

表1中的數據展示了不同電阻值下的閉合電路電流和電壓的變化情況.我們測量了五組不同電阻值的電流和電壓.觀察數據可發現，在實驗中電流保持恒定為0.5 A，這意味著流過電路的電流相同，不受電路中電阻的影響.然而，電壓數值隨著電阻的增加呈線性增加的趨勢.以序號1為例，當電阻為10 Ω時，電路中的電流為0.5 A，而電壓為5 V.根據歐姆定律（U=I·R），我們可以用這些數值來驗證其準確性.通過計算，0.5 A乘以10 Ω得到5 V，即電流與電阻之間的乘積等于電壓，同樣的趨勢適用于其他實驗數據.隨著電阻值的增加，電壓也相應地增加.例如，在電阻為50 Ω時，電路中的電流仍為0.5 A，但電壓達到了25 V.

3.3實驗結果

閉合電路中的電流、電壓和電阻之間遵循歐姆定律的關系.電流保持恒定，而電壓與電阻成正比.這一結果進一步加深了我們對歐姆定律的理解，并為STEM教育中的電路原理提供了實踐基礎.

4教學案例分析

4.1教學案例描述

在這個教學案例中，教師采用了STEM教育理念下的歐姆定律教學策略和方法.教師首先引入了實際生活中的電路問題和應用，讓學生了解閉合電路在日常生活中的重要性和應用.接著，教師通過實例和公式的講解和演示，幫助學生理解歐姆定律的概念和公式.然后，教師強調實驗和觀察的重要性，讓學生進行實驗操作，測量電流和電壓的數值，觀察實驗結果.最后，教師鼓勵學生自主探究和合作學習，讓他們設計實驗方案，進行實驗探索和數據收集、數據分析和結果討論.

4.2學生學習成果評估

為了評估學生的學習成果，可以采用以下方法.

（1）測驗和考試：設計閉卷或開卷測驗，涵蓋閉合電路和歐姆定律的相關知識，測試學生對概念的理解和應用能力.

（2）實驗報告：要求學生撰寫實驗報告，包括實驗設計、數據收集、數據分析和結果討論，評估學生的實驗技能、數據分析能力和結果推理能力.

（3）項目作品：要求學生進行一個與閉合電路和歐姆定律相關的項目，可以是設計和制作一個簡單的電路裝置，或解決一個與電路應用相關的問題，評估學生的創新思維、解決問題和實際應用能力.

4.3學生反饋和體會

學生的反饋和體會對于評估教學效果至關重要，可以采用以下方法收集學生的反饋和體會.

（1）口頭反饋：在課堂上讓學生分享他們的觀點、問題和疑惑.通過與學生的互動，教師可以了解學生對教學內容和方法的理解和接受程度.

（2）問卷調查：設計一份問卷，包括關于教學內容、教學方法、學習體驗和自主學習的問題.學生可以匿名填寫問卷，以便他們能夠坦誠表達意見.

（3）小組討論：將學生組織成小組，讓他們討論和分享學習體會和觀點.教師可以參與其中，以收集學生的意見并促進他們之間的交流.

5歐姆定律解題實例

例題在一個閉合電路中，電池的電動勢為12伏，電阻為4歐，通過電路的電流為多少？

解題思路根據歐姆定律，電流（I）等于電壓（U）除以電阻（R），即I=UR.

解題步驟將已知數據代入公式，計算得出 I=3 A.

6結束語

本研究基于STEM教育理念，以歐姆定律為例，探究初中物理教學中的核心素養培養策略.研究結果表明，通過實例、公式講解、演示，鼓勵學生自主探究和合作學習，可以有效提高學生的學習成果和教學效果.

參考文獻：

［1］ 王天華.智能技術應用于初中物理實驗的研究與實踐[J].中學物理，2023，41（14）：62-65.

[2] 張如作.大概念視角下的初中物理教學設計與實踐：以“電熱器檔位問題”教學為例[J].理科考試研究，2023，30（14）：42-44.

[3] 李春雷.項目學習在初中物理教學實踐中的應用探索：以“熱現象”為例[J].物理教學探討，2023，41（07）：28-30，52.

［責任編輯：李璟］