基于核心素養(yǎng)的STEM課程教學(xué)模式構(gòu)建①

(廣東省廣州市海珠區(qū)教育發(fā)展中心，廣東 廣州 510310)

教學(xué)模式是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論的指導(dǎo)下建立起來(lái)的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架和活動(dòng)程序。作為結(jié)構(gòu)框架，突出了教學(xué)模式從宏觀上把握教學(xué)活動(dòng)整體及各個(gè)要素之間的關(guān)系和功能；作為活動(dòng)程序，則突出了教學(xué)模式的有序性和可操作性。因此，基于核心素養(yǎng)目標(biāo)的STEM課程教學(xué)模式也將從結(jié)構(gòu)框架和活動(dòng)程序兩個(gè)方面展開(kāi)說(shuō)明。

1 結(jié)構(gòu)框架

在STEM教學(xué)過(guò)程中，關(guān)鍵的是針對(duì)某一情境問(wèn)題設(shè)計(jì)并制作出能夠解決該問(wèn)題的作品。在構(gòu)建基于高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的STEM課程教學(xué)模式時(shí)，需將各個(gè)要素提取出來(lái)，它們之間的關(guān)系如圖1所示，其中物理建模和工程實(shí)踐是該教學(xué)模式中最關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節(jié)。首先，在問(wèn)題解決過(guò)程中必然存在一個(gè)將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為由學(xué)科知識(shí)整合的物理模型的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要通過(guò)物理建模來(lái)實(shí)現(xiàn)；其次，確定了物理模型，對(duì)于設(shè)計(jì)的作品有了一定的構(gòu)想之后，需要通過(guò)工程實(shí)踐才能將這個(gè)想法轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)的作品。

圖1

評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)在該模式中主要起到如下兩個(gè)作用：第一，在物理建模和工程實(shí)踐環(huán)節(jié)中，需要通過(guò)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)來(lái)檢驗(yàn)是否符合要求，并進(jìn)行可行性分析，從而對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)；第二，評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)理應(yīng)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，評(píng)價(jià)這個(gè)教學(xué)活動(dòng)是否實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到了怎樣的教學(xué)效果。

2 活動(dòng)程序

基于對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)以及STEM素養(yǎng)要素的分析，筆者設(shè)計(jì)了基于STEM教學(xué)模式的教學(xué)流程(如圖2)。

在物理課堂中實(shí)施STEM教學(xué)模式，共有4個(gè)環(huán)節(jié)：情境引入，提出問(wèn)題，物理建模，工程實(shí)踐，總結(jié)評(píng)價(jià)。

在此教學(xué)模式中，學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，教師則擔(dān)當(dāng)教學(xué)活動(dòng)的組織者、學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和輔助者等角色。每個(gè)環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的教師活動(dòng)與學(xué)生活動(dòng)各不相同，教師在每個(gè)環(huán)節(jié)中所起到的作用各不相同，比如在物理建模環(huán)節(jié)中，教師不能直接向?qū)W生給出所要構(gòu)建的物理模型，而應(yīng)當(dāng)給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建物理模型，給予學(xué)生思考與自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間。在工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，教師應(yīng)為學(xué)生提供充分的資源，給予學(xué)生實(shí)踐方面的指導(dǎo)，并且監(jiān)督學(xué)生操作安全等。每個(gè)環(huán)節(jié)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)是按照循序漸進(jìn)、由淺入深的原則設(shè)計(jì)，學(xué)生活動(dòng)的整體過(guò)程是由實(shí)際生活轉(zhuǎn)向理論探究，再利用理論指導(dǎo)實(shí)踐的過(guò)程。總體來(lái)說(shuō)，四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，承上啟下。

圖2

2.1 情境引入，提出問(wèn)題

情境引入環(huán)節(jié)是學(xué)生對(duì)于教學(xué)情境的初體驗(yàn)環(huán)節(jié)，所設(shè)計(jì)的情境應(yīng)是教師在課前通過(guò)對(duì)知識(shí)以及學(xué)生學(xué)情了解的基礎(chǔ)上，整合STEM課程而創(chuàng)設(shè)的完整的、真實(shí)的問(wèn)題情景。

在課堂教學(xué)中，教師將學(xué)生引入情境中，與此同時(shí)應(yīng)提出問(wèn)題。問(wèn)題的來(lái)源分為：(1) 教師直接給出與情境相關(guān)的問(wèn)題；(2) 教師引導(dǎo)學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，問(wèn)題隱含于所給情境中，需要學(xué)生自主分析、討論得出。例如教師可以在課堂上播放古代戰(zhàn)爭(zhēng)中所用到的攻城武器——投石機(jī)的視頻，并提問(wèn)：投石機(jī)跟我們學(xué)到的什么物理知識(shí)有關(guān)？如何把石頭投得更遠(yuǎn)？應(yīng)注意的是，教師所創(chuàng)設(shè)的情境應(yīng)該與后面的工程實(shí)踐有一定的聯(lián)系，不能只有知識(shí)之間的聯(lián)系。教師應(yīng)減少不同情境的給出，以免對(duì)學(xué)生的思維造成混亂，情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)做到少而典型。在物理教學(xué)中為學(xué)生創(chuàng)設(shè)STEM情境，促使學(xué)生獨(dú)立思考，激發(fā)新、舊知識(shí)之間的沖突，形成問(wèn)題，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，有效培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和分析能力。

2.2 物理建模

物理建模是將比較繁瑣的真實(shí)物體抽象化為簡(jiǎn)單的物理模型，或者將具體的核心局部放大，進(jìn)而專注研究核心因素的物理形象，其目的是讓真實(shí)問(wèn)題更加簡(jiǎn)單化、明了化、可操作化，本質(zhì)就是將具體情境中的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題，使學(xué)生從科學(xué)的視角審視現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題。在教學(xué)中引入物理模型教學(xué)，一方面能促使學(xué)生學(xué)習(xí)、理解物理知識(shí)，另一方面有助于培育學(xué)生的創(chuàng)新思維、科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生掌握科學(xué)研究的基本方法，尤其是在面對(duì)應(yīng)用型物理問(wèn)題時(shí)，學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)思維方法，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)。

在物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生所遇見(jiàn)的物理模型多種多樣，常用的物理模型可分為三類：(1) 對(duì)象物理模型，比如質(zhì)點(diǎn)、單擺、自由電荷等；(2) 過(guò)程物理模型，比如勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等；(3) 條件物理模型，比如理想斜面、勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)、均勻介質(zhì)等。

在融入STEM教學(xué)模式的物理教學(xué)中，學(xué)生自主構(gòu)建物理模型是其首要的、關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，為后面的工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。在物理課堂中實(shí)施STEM教育，首先要將所講的具體情境展示給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)情境進(jìn)行細(xì)致分析，進(jìn)而接受并獲取知識(shí)，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，在工程實(shí)踐環(huán)節(jié)有效運(yùn)用物理知識(shí)。

具體情境中的問(wèn)題具有以下特點(diǎn)：提出問(wèn)題的過(guò)程具有較高的復(fù)雜性，已知條件具有隱蔽性，影響因素具有多元性，解決問(wèn)題時(shí)需考慮方案選擇的最佳性等。在物理教學(xué)中引入物理建模，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，有利于學(xué)生理解物理知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

從具體情境構(gòu)建物理模型的過(guò)程具體可以分為如圖3的步驟。

圖3

在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生自主利用所學(xué)知識(shí)建構(gòu)物理模型，教師提供相應(yīng)的幫助引導(dǎo)學(xué)生建模。例如學(xué)生根據(jù)教師播放的投石機(jī)視頻，首先提取出關(guān)鍵信息、簡(jiǎn)化實(shí)物，從而構(gòu)建出能體現(xiàn)出投石機(jī)原理的模型。物理模型具有抽象性與形象性，是將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題的有效途徑，便于學(xué)生理解物理知識(shí)，降低學(xué)習(xí)難度；物理模型具有科學(xué)性和假定性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、思維能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在此環(huán)節(jié)中教師應(yīng)當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生把復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)加以分解，把學(xué)習(xí)逐步引向深入。例如在STEM課程中，學(xué)生最終是要做一個(gè)工程作品作為課程學(xué)習(xí)的成果，教師可提供一個(gè)已有的關(guān)于制作簡(jiǎn)易投石機(jī)的方案供學(xué)生參考，并提供器材，同時(shí)也應(yīng)確定一個(gè)目標(biāo)，如學(xué)生所制作出來(lái)的投石機(jī)應(yīng)能投出規(guī)定的距離或高度。讓學(xué)生能夠參考教師提供的方案和器材，和同學(xué)共同討論、制定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方案。

2.3 工程實(shí)踐

工程實(shí)踐是指學(xué)生利用工程知識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)、制造，將物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)具體作品的過(guò)程。它包括設(shè)計(jì)制造和測(cè)試評(píng)價(jià)兩個(gè)環(huán)節(jié)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)相互迭代、螺旋上升，其步驟為：設(shè)計(jì)→制作→測(cè)試→再設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)建造是指學(xué)生根據(jù)自己的方案利用建模軟件或工具進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，再利用相應(yīng)的材料和手段進(jìn)行工程實(shí)施，最后得到初步作品的過(guò)程。例如學(xué)生根據(jù)上一環(huán)節(jié)所制定好的制造投石機(jī)的方案，利用教師所提供的器材，制造出一個(gè)簡(jiǎn)易的投石機(jī)，該投石機(jī)能夠初步滿足教師所提出的目標(biāo)，如可以達(dá)到規(guī)定的距離或高度。

測(cè)試評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)是在學(xué)生作品制作完成后,對(duì)照設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)試產(chǎn)品是否能夠滿足要求的環(huán)節(jié)。學(xué)生應(yīng)該在各種可能的條件下對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行多次測(cè)試，針對(duì)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，重新回到問(wèn)題的起點(diǎn),通過(guò)小組成員頭腦風(fēng)暴以及教師評(píng)價(jià),找到解決問(wèn)題的辦法,然后更新方案設(shè)計(jì)，再次建立模型,進(jìn)行測(cè)試及改進(jìn)。例如學(xué)生制造出一個(gè)簡(jiǎn)易的投石機(jī)后，應(yīng)該測(cè)試能否實(shí)現(xiàn)教師提出的目標(biāo)，如不能，則應(yīng)不斷改進(jìn)，或者請(qǐng)教教師；如能，可以尋找作品的優(yōu)化方案并實(shí)現(xiàn)。

在開(kāi)展工程實(shí)踐過(guò)程中，教師應(yīng)提供巡回指導(dǎo)，在學(xué)生設(shè)計(jì)建造和測(cè)試評(píng)價(jià)前，教師應(yīng)提供建模工具的講解和介紹；在學(xué)生設(shè)計(jì)建造中，教師應(yīng)巡視每個(gè)小組的進(jìn)展，并給予學(xué)生相應(yīng)的指導(dǎo)和幫助，如提供設(shè)計(jì)建造的工具及其使用方法、提醒學(xué)生注意操作安全等；在測(cè)試評(píng)價(jià)時(shí)，教師應(yīng)提供一些工程測(cè)試的常用方法和技巧，并及時(shí)對(duì)學(xué)生的作品給出自己的建議和評(píng)價(jià)。

在整個(gè)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生在問(wèn)題探究的過(guò)程中使用科學(xué)的研究方法與過(guò)程技能，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力、克服困難的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，使學(xué)生的科學(xué)和工程素養(yǎng)在“做中學(xué)”的過(guò)程中得到提升。

2.4 評(píng)價(jià)總結(jié)

該環(huán)節(jié)倡導(dǎo)過(guò)程性評(píng)價(jià)，學(xué)生在確定最終方案并且制作出最后的作品后，各個(gè)小組上臺(tái)展示設(shè)計(jì)思路、團(tuán)隊(duì)分工、探究的問(wèn)題等，分享經(jīng)驗(yàn)，交流與總結(jié)制作的技巧與作品特點(diǎn)，介紹遇到困難和克服困難的過(guò)程。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中可以鍛煉溝通與表達(dá)能力，吸取其他組的優(yōu)點(diǎn)，正確認(rèn)識(shí)本組的長(zhǎng)處，反思本組的缺點(diǎn)與不足，形成良好的批判思維。每個(gè)小組分享后，教師應(yīng)給予相應(yīng)的評(píng)價(jià)，同時(shí)組間進(jìn)行互評(píng)。最后教師進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于學(xué)生整體任務(wù)完成情況、小組作品的亮點(diǎn)和不足之處要有一個(gè)簡(jiǎn)潔的評(píng)價(jià)。

對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)并不只是總結(jié)性的教師評(píng)價(jià)和組間互評(píng)，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行當(dāng)中，教師按照課前設(shè)計(jì)制作的評(píng)價(jià)量表進(jìn)行表現(xiàn)性評(píng)價(jià)，將過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)進(jìn)行整合，最后為學(xué)生給出綜合性的成績(jī)與評(píng)語(yǔ)。