科創(chuàng)教育促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)發(fā)展的策略

羅世洪

摘 要：近年來(lái)，“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”“3D打印”“VR體驗(yàn)”“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術(shù)或新設(shè)備逐漸進(jìn)入到中小學(xué)的課堂教學(xué)之中，給高中的教學(xué)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。近年來(lái)，筆者對(duì)高中的數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)、3D打印和科技教育進(jìn)行了一些研究，并開(kāi)展了一系列將科創(chuàng)教育融合于高中物理教學(xué)的探究活動(dòng)。在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)科創(chuàng)教育與高中物理核心素養(yǎng)的融合進(jìn)行了探討，提出了一些粗淺的策略，并通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：科創(chuàng)教育；物理核心素養(yǎng)；3D打印

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2019）2-0068-3

1 研究背景

近年來(lái)，“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”“3D打印”“VR體驗(yàn)”“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術(shù)或新設(shè)備逐漸進(jìn)入到中小學(xué)的課堂教學(xué)之中，并給高中的教學(xué)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。而科創(chuàng)教育作為跨學(xué)科、融合多種新技術(shù)的創(chuàng)新教育，正在席卷全國(guó)，并逐步進(jìn)入到中小學(xué)之中。筆者所在的高中于2013年創(chuàng)建了數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室。近年，學(xué)校正在籌備建設(shè)創(chuàng)客中心。目前，以跨學(xué)科的校本課程為依托，我校已經(jīng)開(kāi)展了一系列的科創(chuàng)教育活動(dòng)，積累了豐富的研究資料。但是，如何將科創(chuàng)教育與高中物理教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將高中物理核心素養(yǎng)有機(jī)融合到科創(chuàng)教育之中，還有待探索。因此，筆者希望本文的研究能夠起到拋磚引玉的作用，引起更多研究者的關(guān)注與研究。

2 科創(chuàng)教育與高中物理核心素養(yǎng)

2.1 科創(chuàng)教育的概念

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出，要積極探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）以及創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。因此，科創(chuàng)教育是一種將創(chuàng)客教育和STEAM教育融合在一起，并以跨學(xué)科學(xué)習(xí)為主的創(chuàng)新型教育。

STEAM教育是由美國(guó)的STEM教育發(fā)展而來(lái)。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門(mén)學(xué)科的簡(jiǎn)寫(xiě)，是由奧巴馬大力推進(jìn)的一種綜合課程，該課程旨在從小培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、創(chuàng)新、綜合運(yùn)用科學(xué)知識(shí)的能力[1]。隨后，在原有四科的基礎(chǔ)上加入了Art（藝術(shù)）學(xué)科，多個(gè)學(xué)科相融合從而得到STEAM教育。需要指出的是，藝術(shù)（Art）狹義上指美術(shù)、音樂(lè)等學(xué)科，而廣義上則包括美術(shù)、音樂(lè)、社會(huì)、語(yǔ)言等人文藝術(shù)。

創(chuàng)客教育廣義上是一種以培育大眾創(chuàng)客精神為導(dǎo)向的教育形態(tài)，狹義上的創(chuàng)客教育則應(yīng)是一種以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者，特別是青少年學(xué)習(xí)者的創(chuàng)客素養(yǎng)為導(dǎo)向的教育模式[2]。2016年創(chuàng)客教育專(zhuān)家委員會(huì)對(duì)現(xiàn)階段創(chuàng)客教育進(jìn)行了重新定義：創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，是基于學(xué)生興趣，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問(wèn)題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育[3]。

實(shí)際上，關(guān)于科創(chuàng)教育的定義，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的界定。筆者更傾向于這樣理解：科創(chuàng)教育是一種強(qiáng)調(diào)學(xué)生在玩中做、做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)的教育形態(tài)，是在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代新出現(xiàn)的一種融創(chuàng)新教育、體驗(yàn)教育、項(xiàng)目學(xué)習(xí)等思想為一體的新型教育模式；是一種培養(yǎng)學(xué)生具有實(shí)踐、創(chuàng)新、協(xié)作、分享特質(zhì)的素質(zhì)教育；是一種以STEAM課程和創(chuàng)客教育為載體，在課程中體驗(yàn)，在活動(dòng)中創(chuàng)新，注重動(dòng)手實(shí)踐、注重跨界融合、注重開(kāi)拓創(chuàng)新、鼓勵(lì)協(xié)作分享和強(qiáng)調(diào)做、學(xué)、創(chuàng)合一的教育理念。

2.2 高中物理核心素養(yǎng)的概念

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)，內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵部分。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括以下四個(gè)內(nèi)容[4]：一是物理觀念；二是科學(xué)思維；三是科學(xué)探究；四是科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。科學(xué)探究主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素。

3 科創(chuàng)教育與高中物理核心素養(yǎng)的融合策略與實(shí)踐

筆者研究發(fā)現(xiàn)，科創(chuàng)教育的理念與美國(guó)教育家杜威的“做中學(xué)”理念相似，與我國(guó)的高中物理核心素養(yǎng)也有共同之處。它們都強(qiáng)調(diào)“體驗(yàn)式”的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與、合作、分享，并且科創(chuàng)教育與高中物理核心素養(yǎng)都注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。因此，筆者認(rèn)為將高中物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)融入到科創(chuàng)教育之中是可行的。同時(shí)，在高中物理教學(xué)之中引入科創(chuàng)教育也是很有必要的。那么，如何將科創(chuàng)教育與高中物理核心素養(yǎng)融合起來(lái)呢？筆者認(rèn)為可以從以下四方面入手：

（1）以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)?？苿?chuàng)教育實(shí)質(zhì)上是以完成項(xiàng)目為載體的一種教育形式。在做項(xiàng)目時(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)各種相關(guān)知識(shí)或者技能，解決項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并最終將項(xiàng)目的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)或者制造出產(chǎn)品。這與目前芬蘭實(shí)施的“任務(wù)式”課程改革類(lèi)似。實(shí)際上，在高中物理教學(xué)之中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生最大的問(wèn)題是建立物理模型非常困難。因此，筆者在教學(xué)時(shí)，經(jīng)常會(huì)讓學(xué)生進(jìn)行一些探究活動(dòng)，實(shí)際上也可以認(rèn)為是完成一些項(xiàng)目。比如，在研究必修2的“圓周運(yùn)動(dòng)”這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生對(duì)于“圓盤(pán)模型”“漏斗模型”“圓錐擺模型”“過(guò)山車(chē)模型”“繩模型”“桿模型”等物理問(wèn)題，特別是臨界問(wèn)題理解起來(lái)比較困難。因此，筆者在講解這部分內(nèi)容時(shí)，就讓學(xué)生用紙板自制圓盤(pán)模型、用塑料桶自制圓筒模型、用塑料瓶制作“水流星”以及利用實(shí)驗(yàn)室的向心力演示儀等探究圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。又如，在研究選修3-5的“動(dòng)量”這部分內(nèi)容時(shí)，筆者讓學(xué)生利用大飲料瓶、自行車(chē)氣芯、軟木塞等制作“水火箭”探究沖量問(wèn)題。多次實(shí)踐表明，大部分學(xué)生在探究活動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)非常積極，會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)以解決問(wèn)題。在小組制作模型的過(guò)程中會(huì)進(jìn)行分工合作，在展示匯報(bào)時(shí)會(huì)分享模型制作的心得體會(huì)。這完全符合高中物理核心素養(yǎng)對(duì)于“科學(xué)探究”與“科學(xué)思維”的要求。特別是在制作物理模型進(jìn)行探究活動(dòng)過(guò)程中，更是培養(yǎng)了學(xué)生的“模型建構(gòu)”“質(zhì)疑創(chuàng)新”等能力。因此，筆者認(rèn)為以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，可以將高中物理核心素養(yǎng)與科創(chuàng)教育有機(jī)融合。

（2）以3D打印為支撐。創(chuàng)客教育是科創(chuàng)教育的重要組成部分，而創(chuàng)客教育的最大特點(diǎn)就是利用3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)包含3D建模與3D打印[5]。3D建模主要是通過(guò)三維軟件將物理模型設(shè)計(jì)為3D模型。目前應(yīng)用較多的有3Done、123D等，而筆者選用的則是比較專(zhuān)業(yè)的3Dmaxs。3D打印是通過(guò)3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)的3D數(shù)字模型直接打印出來(lái)，從而生成3D實(shí)物模型。這為高中物理模型的建構(gòu)又提供了一種新型、高效的途徑。筆者曾組織學(xué)生利用3D打印開(kāi)展了探究圓周運(yùn)動(dòng)的建模體驗(yàn)活動(dòng)。在體驗(yàn)探究活動(dòng)中，筆者與其他老師和學(xué)生一起進(jìn)行了3D模型的設(shè)計(jì)與打印，設(shè)計(jì)、打印的“3D過(guò)山車(chē)模型”（如圖1）獲得了重慶市第32屆科技創(chuàng)新大賽教具制作三等獎(jiǎng)。

筆者發(fā)現(xiàn)3D打印可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新精神。特別是在3D打印體驗(yàn)活動(dòng)中，需要師生根據(jù)自己的已有知識(shí)和對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)中的物理模型的理解，共同進(jìn)行3D物理模型的草圖設(shè)計(jì)，利用3D軟件進(jìn)行3D模型建構(gòu)，然后利用3D打印機(jī)打出實(shí)物模型，最后利用實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)。這樣的活動(dòng)對(duì)于高中物理核心素養(yǎng)的形成有著極大的促進(jìn)作用。因此，筆者認(rèn)為以3D打印為支撐，有助于在開(kāi)展科創(chuàng)教育活動(dòng)中滲透高中物理核心素養(yǎng)。

（3）以過(guò)程體驗(yàn)為中心。科創(chuàng)教育還有一個(gè)特點(diǎn)是注重過(guò)程體驗(yàn)。實(shí)際上，這與高中物理核心素養(yǎng)的“過(guò)程體驗(yàn)”要求一致。例如，當(dāng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)物理探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要搜集大量的資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行分析綜合。而在獲取信息時(shí)，往往需要學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，然后進(jìn)行假設(shè)，而后進(jìn)行推理、理論驗(yàn)證等，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)論，交流、分享。當(dāng)然，學(xué)生有可能會(huì)實(shí)驗(yàn)失敗，但是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程之中仍然會(huì)學(xué)到很多知識(shí)，物理核心素養(yǎng)仍會(huì)得到提升。實(shí)際上，這些能力和素養(yǎng)在科創(chuàng)教育活動(dòng)中也能得到大力提升。例如，筆者曾指導(dǎo)一個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)“吸塵粉筆擦”。這位學(xué)生在平時(shí)觀察到老師在擦黑板時(shí)，粉筆灰經(jīng)常到處飛，于是提出了“吸塵粉筆擦”的創(chuàng)意。在筆者的指導(dǎo)下，該學(xué)生在專(zhuān)利網(wǎng)、百度等網(wǎng)絡(luò)上搜集了大量資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行分析，最終提出了“吸塵粉筆擦”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，即在粉筆擦上增加一個(gè)吸塵裝置（利用吸塵器原理）。然后，他開(kāi)始繪制設(shè)計(jì)圖紙（主體部分、吸塵裝置部分、電池盒、電動(dòng)機(jī)等），這些設(shè)計(jì)圖紙都是由學(xué)生自己獨(dú)立完成。他根據(jù)圖紙用PVC材料制作了粉筆擦外殼，并加上了羊毛、電動(dòng)機(jī)、電路、電池等。最后驗(yàn)證了粉筆擦的吸塵效果，還進(jìn)行了一些修改完善。雖然他的設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到理想預(yù)期，但是基本能實(shí)現(xiàn)吸塵的功能。最重要的是，在研究“吸塵粉筆擦”的過(guò)程中，學(xué)生的“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科的核心素養(yǎng)都得到了大幅提升。因此，筆者認(rèn)為以過(guò)程體驗(yàn)為中心，可以將物理學(xué)科核心素養(yǎng)很好地融入到科創(chuàng)教育活動(dòng)之中。

（4）以創(chuàng)新為宗旨?！秶?guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》《教育信息化“十三五”規(guī)劃》等文件中都強(qiáng)調(diào)了“創(chuàng)新”的重要性。因此，在高中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)尤為重要。無(wú)論是科創(chuàng)教育還是物理核心素養(yǎng)也都突出了創(chuàng)新精神的作用，特別是科創(chuàng)教育，其核心理念就是創(chuàng)新。例如，在開(kāi)展3D打印體驗(yàn)探究活動(dòng)過(guò)程中，教師和學(xué)生對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)物理模型的設(shè)計(jì)，利用3D軟件進(jìn)行的建模，并用3D打印機(jī)打印出實(shí)物模型（如圖2），實(shí)際上就是一種創(chuàng)新。當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中，筆者和學(xué)生都遇到了很多困難。但是通過(guò)共同學(xué)習(xí)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的共享資源，最終解決了這些問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了利用3D打印模型進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。

4 問(wèn)題與討論

多次實(shí)踐表明，在物理教學(xué)過(guò)程中融入科創(chuàng)教育活動(dòng)，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的模型建構(gòu)和創(chuàng)新能力，促進(jìn)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。同時(shí)，這樣的活動(dòng)對(duì)于學(xué)?？苿?chuàng)教育的開(kāi)展也起到了促進(jìn)作用。當(dāng)然，在開(kāi)展這樣的活動(dòng)過(guò)程中，筆者也遇到了很多問(wèn)題。但是，只要越來(lái)越多的專(zhuān)家、教師加入到科創(chuàng)教育的研究之中，這些問(wèn)題都將迎刃而解。并且，通過(guò)科創(chuàng)教育這一方式，將會(huì)打破學(xué)科教育的限制，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅騫，王辭曉.當(dāng)創(chuàng)客遇上STEAM教育[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014（10）：38-39.

[2]陳永霖，金偉瓊.中美高校創(chuàng)客教育比較研究[J].高等工程教育研究，2017（1）：169-173.

[3]謝作如.《校園創(chuàng)客空間建設(shè)與校園創(chuàng)客活動(dòng)案例研究》課題研討會(huì)暨“2016創(chuàng)客教育專(zhuān)家委員會(huì)第一次會(huì)議”[DB/OL].http//blog.sina.com.cn/s/blog_6611ddcf0102w66t.html.

[4]林明華.高中物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與培養(yǎng)途徑[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2016（2）：4-6.

[5]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].課程教育研究，2013（21）：185-186.

（欄目編輯 張正嚴(yán)）