中學(xué)物理教育中如何體現(xiàn)STEM教育

重視科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)整合的STEM教育是當(dāng)前國際上頗具影響的教育思想之一。在2013年6月發(fā)布的美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（The Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）中，明確要求在美國的科學(xué)教育中整合技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育。這也將對我國科學(xué)綜合課程及科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的分科課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂產(chǎn)生影響。物理是科學(xué)領(lǐng)域中一門重要的學(xué)科，本文從課程、教材和教學(xué)三個層面，探討如何在物理教育中滲透STEM教育的思想。

中、美課程標(biāo)準(zhǔn)中STEM教育的體現(xiàn)

在NGSS中有大量篇幅體現(xiàn)了STEM教育，如專門對科學(xué)、技術(shù)和工程的概念進(jìn)行了辨析；將工程設(shè)計(jì)、相關(guān)數(shù)學(xué)、STSE（科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境）分別作為獨(dú)立的章節(jié)，與學(xué)科核心知識等內(nèi)容并列陳述；對不同學(xué)段（幼兒園至2年級、3～5年級、6～8年級、9～12年級）的學(xué)生提出不同水平的具體目標(biāo)。以工程設(shè)計(jì)為例，NGSS對6～8年級和9～12年級學(xué)生的要求如表1所示。

我國在初中階段設(shè)有科學(xué)綜合課程，但大部分地區(qū)實(shí)施的是分科物理課程，高中階段科學(xué)領(lǐng)域的課程標(biāo)準(zhǔn)則都是分學(xué)科制定的，可以說，我國的物理課程以分科課程為主。初、高中的物理課程標(biāo)準(zhǔn)盡管沒有明確提出對工程的要求，但都從STS的角度對“關(guān)心科學(xué)技術(shù)”給予了重視。在高中物理課程模塊中，選修二系列側(cè)重于從技術(shù)應(yīng)用的角度展示物理學(xué)，強(qiáng)調(diào)物理學(xué)與技術(shù)的結(jié)合，著重體現(xiàn)物理學(xué)的應(yīng)用性和實(shí)踐性。

物理教材中STEM教育的體現(xiàn)

下面以在美國較為流行的初中科學(xué)教材《科學(xué)探索者》為例，分析其中STEM教育的元素?！犊茖W(xué)探索者》重視科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)部學(xué)科的綜合、重視科學(xué)與相關(guān)數(shù)學(xué)知識的整合、重視知識應(yīng)用和技術(shù)、重視學(xué)生的工程設(shè)計(jì)活動。例如，在“運(yùn)動、力與能量”分冊中，就有以下內(nèi)容體現(xiàn)出STEM教育整合思想（見表2）。

《科學(xué)探索者》中安排了很多學(xué)生的設(shè)計(jì)制作活動，以滲透工程方面的教育。例如，“功與機(jī)械”這一章的學(xué)生活動“制作起重機(jī)模型”，要求“把至少兩種以上的簡單機(jī)械組合成一輛能把質(zhì)量600克的罐頭舉高5cm的起重機(jī)模型”，同時要求“和同學(xué)集體討論起重機(jī)模型的各種不同的設(shè)計(jì)方案，看哪些材料可以用來制造起重機(jī)模型”。通過應(yīng)用已學(xué)物理知識制作起重機(jī)模型，學(xué)生初步經(jīng)歷了界定工程問題、設(shè)計(jì)解決方案、優(yōu)化解決方案的工程設(shè)計(jì)過程。

在我國的物理教材中，注重介紹物理知識的技術(shù)應(yīng)用，滲透STS教育。以側(cè)重于物理學(xué)技術(shù)應(yīng)用的選修二系列的人教版高中教材為例，該教材一些章節(jié)的內(nèi)容完全是技術(shù)應(yīng)用，如選修2-2第二章“材料與結(jié)構(gòu)”、第三章“機(jī)械與傳動裝置”等。但是，該教材中對技術(shù)的介紹是從理論應(yīng)用的角度出發(fā)的，而幾乎沒有讓學(xué)生親自體驗(yàn)實(shí)踐、完成工程或技術(shù)項(xiàng)目的活動。

相比而言，我國的物理教材更重視學(xué)科內(nèi)部邏輯體系和從理論的角度談技術(shù)應(yīng)用。在技術(shù)和工程方面，讓學(xué)生親自制作、自主設(shè)計(jì)的活動很少。這樣的設(shè)置仍然使學(xué)生從理論知識的角度來看待技術(shù)和工程，而難以自覺主動地應(yīng)用技術(shù)和從工程的角度思考并解決問題。

物理教學(xué)中的STEM教育

1. 在物理教學(xué)中應(yīng)用技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)在物理教育中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。例如，使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件、傳感器、移動設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等輔助物理教學(xué)。使用計(jì)算機(jī)和傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，既能夠提高實(shí)驗(yàn)精度，又可給學(xué)生以實(shí)時反饋，提高教學(xué)效率，在日常教學(xué)中已經(jīng)大大普及。

比起教師在講臺上通過技術(shù)設(shè)備進(jìn)行演示，學(xué)生親自使用技術(shù)設(shè)備學(xué)習(xí)物理（包括進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）的過程更有助于他們體會物理和技術(shù)的關(guān)系和培養(yǎng)他們自覺應(yīng)用技術(shù)的意識。例如：在物理探究活動中通過網(wǎng)絡(luò)搜集信息、展開自學(xué)；在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時利用Excel軟件；等等。又例如：一些智能手機(jī)和平板電腦只要安裝相應(yīng)軟件，就可以測量加速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度；使用手機(jī)或平板電腦上的攝像頭錄像，再通過軟件分析錄像中物體的運(yùn)動規(guī)律[3]……這樣的例子還有很多。隨著智能手機(jī)和平板電腦等便攜式移動設(shè)備越來越普及，學(xué)生可以利用這些技術(shù)隨時隨地展開物理實(shí)驗(yàn)和探究。

2. 在物理教學(xué)中有意識地滲透工程和技術(shù)教育

比較NGSS和我國物理課程標(biāo)準(zhǔn)，NGSS不僅要求學(xué)生了解技術(shù)、利用技術(shù)學(xué)習(xí)物理，還要求學(xué)生親自參與工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)，并在實(shí)踐、體驗(yàn)的過程中對工程和技術(shù)形成一定水平的認(rèn)識；我國目前仍主要是從知識應(yīng)用的角度了解技術(shù)和利用技術(shù)為物理教學(xué)服務(wù)，重點(diǎn)放在理論知識的學(xué)習(xí)上，而忽視對技術(shù)應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)本身的體驗(yàn)和深入學(xué)習(xí)。

物理和技術(shù)、工程有密不可分的聯(lián)系。在物理教學(xué)中，只要潛心挖掘，利用現(xiàn)有的教學(xué)資源，就可以開發(fā)出讓學(xué)生既能體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用的過程，又能加深對物理內(nèi)容理解的學(xué)生活動，體現(xiàn)STEM教育的整合思想。舉一個簡單的例子：在初中學(xué)完溫度相關(guān)內(nèi)容后，布置作業(yè)給學(xué)生，讓他們在幾周內(nèi)完成課題“自制液體溫度計(jì)”。如果想在較長時間內(nèi)比較準(zhǔn)確地測量出溫度高低，學(xué)生需要克服各種困難，解決實(shí)際遇到的問題，如“使用哪些身邊容易獲得的物品進(jìn)行制作”、“如何使玻璃泡和細(xì)管的連接處不漏氣”、“如何避免溫度計(jì)中液體蒸發(fā)”、“怎樣給溫度計(jì)標(biāo)上刻度”等。最后比較不同學(xué)生制作的溫度計(jì)，討論誰的溫度計(jì)材料易得、成本較低且測量較準(zhǔn)確。經(jīng)歷了自制溫度計(jì)的過程，學(xué)生不僅對工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用有了初步的實(shí)際體驗(yàn)，對溫度計(jì)的原理、攝氏溫標(biāo)，甚至氣壓等相關(guān)物理知識的理解也會更加深刻。

中學(xué)生畢業(yè)后無論進(jìn)入大學(xué)深造還是步入社會就職，都應(yīng)該不僅僅能夠進(jìn)行理論方面的推演和探究，還有能力實(shí)際動手操作、發(fā)現(xiàn)并主動應(yīng)用知識和技術(shù)解決遇到的現(xiàn)實(shí)問題。在國際科學(xué)教育領(lǐng)域，重視學(xué)科間的聯(lián)系與整合、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)也是主流觀點(diǎn)。由此看來，在物理教育中體現(xiàn)STEM教育是未來的發(fā)展方向，值得認(rèn)真思考和研究。在我國主要為分科物理課程的大背景下，如何借鑒國際上已有的資源，開發(fā)適合我國的教育資源，在物理教育中有意識地滲透STEM教育，需要同仁們的努力探索。

注：本文為中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會重點(diǎn)課題《“知法并行”教學(xué)模式研究》成果之一。

（作者單位：北京海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 北京三帆中學(xué)）