STEM活動教學(xué)對培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的價值探討
——以閉合電路歐姆定律為例

梁沛林

(深圳市西鄉(xiāng)中學(xué) 廣東 深圳 518102)

1 前言

STEM：指融合了Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)、Mathematics(數(shù)學(xué))的綜合教育方法，形式上表現(xiàn)為“做中學(xué)”，從解決實際問題出發(fā)，在實踐中掌握知識，提高能力.在教學(xué)上，STEM一般采用以解決工程問題為主線，基于項目的學(xué)習(xí)方式.通過背景經(jīng)驗活動把工程問題與相關(guān)聯(lián)的科學(xué)原理、科學(xué)探究、工程實踐結(jié)合起來，形成一個有機整體[1].

學(xué)生在開展探究與實踐的過程中，能夠體會到學(xué)習(xí)知識與技能的目的是解決實際工程問題，從而培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責任，同時在實踐的過程中提升能力.1986年美國國家科學(xué)委員會發(fā)表《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告，標志著STEM概念的形成[2].

2006年1月31日，美國總統(tǒng)布什在其國情咨文中公布一項重要計劃——《美國競爭力計劃》(American Competitiveness Initiative，ACI)，提出知識經(jīng)濟時代教育目標之一是培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才，并稱其為全球競爭力的關(guān)鍵.2016年我國教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出:有效利用信息技術(shù)推進“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識[3].

STEM從實踐中習(xí)得技能,提高能力培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的教育理念，對以物理核心素養(yǎng)為核心的新一輪課程改革是有借鑒價值的.學(xué)生根據(jù)任務(wù)的需要，通過互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)手段獲得信息，有目的地學(xué)習(xí)概念，掌握規(guī)律，并應(yīng)用規(guī)律，能夠更好地幫助學(xué)生建立物理觀念.學(xué)生從問題情境出發(fā)，提取出核心問題和主要過程，經(jīng)過簡化抽象出物理模型，再經(jīng)過分析推理，結(jié)合實際條件形成解決問題的方案，再通過科學(xué)論證，判斷方案的可行性，從而培養(yǎng)科學(xué)思維.根據(jù)實踐方案，經(jīng)過合作探究、溝通、評價和交流取長補短，形成更優(yōu)化的解決問題的思路，此過程能夠很好地體現(xiàn)科學(xué)探究素養(yǎng).因此STEM引進來對中國的基礎(chǔ)科學(xué)教育具有重要的借鑒意義，對培養(yǎng)創(chuàng)新型的理工科人才具有積極的作用.目前國內(nèi)有不少關(guān)于STEM的研究，然而，基本上都是停留在理論探討層面上的綜述文章，并沒有涉及實踐課例.同時目前國內(nèi)的STEM課程主要由校外培訓(xùn)機構(gòu)承擔，針對基礎(chǔ)教育的中學(xué)課堂中引入STEM概念的教學(xué)實踐很少.

2 基于STEM活動教學(xué)的物理課例

嘗試把STEM的教學(xué)思路遷移到高中物理教學(xué)中，在實踐中發(fā)現(xiàn)其對學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有很大的幫助.以一節(jié)STEM教學(xué)思路設(shè)計的“水果能供電嗎？——探討閉合電路歐姆定律”的課堂教學(xué)為例，談STEM教學(xué)思路對物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的價值.閉合電路歐姆定律是高中物理電路模塊中的核心知識，也是電路模塊教學(xué)中的難點.閉合電路歐姆定律的核心內(nèi)容是提出了內(nèi)外電路的概念，其教學(xué)難點是讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)并接受電源內(nèi)部存在內(nèi)阻.

STEM活動教學(xué)的出發(fā)點是解決問題，從遇到問題出發(fā)，通過多種途徑(不局限于課堂學(xué)習(xí))收集信息，整合資源，學(xué)習(xí)新概念和新知識，應(yīng)用新知識制作作品解決問題，遇到問題立刻反饋，再次搜索資源修正方案并最終解決問題.教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 STEM活動教學(xué)流程

(1)待解決的實際問題：通過水果、鋅片、銅片等材料給LED燈供電，讓LED燈發(fā)光；

(2)收集信息并篩選有用的信息學(xué)習(xí)；

(3)遇到問題：發(fā)現(xiàn)LED燈不發(fā)光；

(4)再次收集信息，學(xué)習(xí)內(nèi)外電路知識，了解內(nèi)電阻對電路造成的影響；

(5)學(xué)生交流、討論、想辦法減小電池內(nèi)阻；

(6)完成任務(wù).

表1從物理核心素養(yǎng)的4個方面探討了STEM活動教學(xué)對物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)價值.

表1 STEM活動教學(xué)對培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的價值

3 STEM活動教學(xué)的教學(xué)反思

從知識要求上看，STEM活動教學(xué)融匯了物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識，各學(xué)科知識需要綜合運用.例如制作水果電池需要用到化學(xué)原電池的原理，需要了解水果果液的電解特性，更需要知道物理中電動勢、電阻等概念，以及電壓表、電流表等物理器材的使用，其綜合性遠高于傳統(tǒng)授課和實驗探究教學(xué).然而，盡管STEM活動教學(xué)是淡化學(xué)科界限的綜合教育方式，但是，目前STEM在中國還是起步階段，在教學(xué)中還不適合多學(xué)科學(xué)習(xí)，更多的是在某一學(xué)科的基礎(chǔ)上融合.它強調(diào)主題下面的主概念和主概念下面的跨學(xué)科技能.

美國緬因州的貝瑟爾(Bethel)國家培訓(xùn)實驗室發(fā)現(xiàn)的“學(xué)習(xí)金字塔”，如圖2所示，顯示了學(xué)生在不同學(xué)習(xí)方式下學(xué)習(xí)，經(jīng)過24 h后(有的是2周后)，對學(xué)習(xí)內(nèi)容的可回憶百分比.對照金字塔中的學(xué)習(xí)方式，傳統(tǒng)講授主要集中在聽講、閱讀、視聽結(jié)合以及示范，均處于淺層學(xué)習(xí)階段；而實驗探究教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)涉及討論組和實踐練習(xí)，達到了深度學(xué)習(xí)層次；而STEM活動教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為增加了應(yīng)用展示和把網(wǎng)絡(luò)搜索到的信息應(yīng)用到實踐中，并且其學(xué)習(xí)行為主要集中在深度學(xué)習(xí)區(qū)域.

圖2 學(xué)習(xí)金字塔

從培養(yǎng)能力的角度看，從項目目標入手的STEM活動教學(xué)方式更能全面培養(yǎng)學(xué)生的能力.尤其是獲取信息的能力，以及把信息轉(zhuǎn)化為解決問題依據(jù)的能力的培養(yǎng)是講授式教學(xué)和探究式教學(xué)無法替代的.在解決現(xiàn)實問題的過程中，學(xué)生不得不進行協(xié)作和分工，這能夠很好地鍛煉溝通能力和合作能力，完成任務(wù)過程中會遇到意想不到的障礙，學(xué)生和教師都無法預(yù)知結(jié)果.同學(xué)們遇到的問題都是特殊的，沒有先例可尋，解決問題的過程中就能體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力.同時,面對一個具體的工程問題，需要學(xué)生對每個細節(jié)都有一絲不茍的專研精神，遇到障礙時能夠細心分析，排除問題，群策群力.例如在通過水果電池點亮LED燈的任務(wù)中，學(xué)生第一次并聯(lián)實驗的失敗，就是因為接線處螺絲沒有擰緊造成的.在活動后，筆者詢問了學(xué)生的體會，除了興奮之外，學(xué)生最大的感觸是做實驗要認真和細心，而這恰好是STEM活動教學(xué)的魅力所在.

4 STEM活動教學(xué)的教學(xué)建議

我國的STEM起步較晚，目前還沒有形成正式的學(xué)科和教學(xué)方法，甚至連相關(guān)的素材和課例也非常少，只能摸著石頭過河，在教學(xué)中不斷探索和積累素材.STEM在我國的推廣和實施存在的困難有以下幾點.

(1)課程設(shè)計問題：STEM課程的設(shè)計需要達成4個領(lǐng)域的融合，同時涉及跨學(xué)科知識和能力，如何設(shè)計與學(xué)生學(xué)習(xí)階段知識和能力匹配的STEM任務(wù)是最大的困難.一方面是因為學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)參差不齊，能力差異也很大，另一方面是來自于我國的教育強調(diào)分科，學(xué)科之間知識遷移較少，學(xué)生的知識遷移能力薄弱.其次,由于在我國STEM現(xiàn)成的課程設(shè)計稀缺，所以市面上也沒有現(xiàn)成可用的配套實驗材料.例如解決的問題是提高球的彈性.這個時候除了設(shè)計之外，還得找到實現(xiàn)制作球的設(shè)施，這給STEM活動教學(xué)的設(shè)計帶來了困難.

(2)實物化問題：與科學(xué)知識普及不同，STEM的概念不僅意味著對科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)知識的系統(tǒng)認知，更強調(diào)動手和實際操做，設(shè)計需要實物化，并用于解決問題或?qū)崿F(xiàn)目的.而從小學(xué)到中學(xué)，我國培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計和動手能力的課程包括勞技課、通用技術(shù)和綜合實踐課，在應(yīng)試教育的背景下并未落到實處，學(xué)生動手能力普遍不足，這為STEM活動教學(xué)設(shè)置了障礙.

(3)評價問題：STEM活動教學(xué)評價不能只看是否定時定量地完成任務(wù).因為在操作過程中每個團隊遇到的問題都是不相同的，排除障礙的過程本身也是活動的內(nèi)容，也能夠體現(xiàn)物理素養(yǎng).對STEM活動教學(xué)的評價應(yīng)該過程化和多樣化.例如，考察在完成任務(wù)的過程中克服障礙的個數(shù)、實驗耗材的多少、過程和設(shè)計的創(chuàng)新、研究方法的嚴謹性、數(shù)學(xué)建模的吻合度等.也可以根據(jù)成員表現(xiàn)出的合作能力、創(chuàng)新能力、實驗?zāi)芰吞骄磕芰M行評價.如何建立一套科學(xué)的活動評價機制是目前面對的問題.

(4)教師的要求：在STEM活動中教師的任務(wù)除了設(shè)計活動以外，更重要的是作為顧問和觀察員的角色.雖然教師看起來是從教學(xué)中退出來了，但是教師需要根據(jù)自己學(xué)生的情況給學(xué)生提供必要的幫助，例如資源的整合，使用的器材，排除故障的方法等.在解決實際問題的過程中，學(xué)生面對的問題都是獨特的，而且是無法預(yù)料的.作為顧問的教師必須對所開展的STEM活動教學(xué)涉及的跨學(xué)科知識有全面的了解，而且能夠預(yù)測學(xué)生面對的主要困難點，這對教師本身的STEM素養(yǎng)就是一個考驗.同時，教師兼任觀察員和記錄員的角色，隨時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在活動過程中的創(chuàng)新點，觀察學(xué)生的表現(xiàn)并評價學(xué)生的信息搜集及篩選能力、交流能力、組織能力、探究能力、實驗?zāi)芰?、知識遷移和數(shù)學(xué)能力.