基于STEM教育理念下的初中物理試題命制

朱天宇

摘 要：將STEM教育理念融入到初中物理試題的命制中，既能體現(xiàn)STEM教育促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合與應(yīng)用的理念，又符合當(dāng)下初中物理學(xué)科的評(píng)價(jià)原則.通過設(shè)計(jì)基于STEM教育理念的物理試題命制模式，評(píng)析近年各地STEM理念下的中考試題，從而為日常教學(xué)和命題評(píng)價(jià)提供參考.同時(shí)，STEM理念下的物理試題能更好地促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，適應(yīng)中考改革趨勢.

關(guān)鍵詞：STEM教育;初中物理;試題命制

文章編號(hào)：1008-4134（2019）22-0031 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

STEM教育是指將Science（科學(xué)），Technology（技術(shù)），Engineering（工程），Mathematics（數(shù)學(xué)）融為一體的教育，通過其跨學(xué)科整合的教學(xué)模式促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)與技能，并能進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用于真實(shí)問題[1].國務(wù)院頒布《關(guān)于深化考試招生制度改革的實(shí)施意見》提出的考試評(píng)價(jià)體系中，強(qiáng)調(diào)要求體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題，具備理論聯(lián)系實(shí)際能力和創(chuàng)新能力.其目的是讓學(xué)生從“解題”發(fā)展為“解決實(shí)際問題” [2].因此將STEM教育理念融入到初中物理試題的命制中，既能體現(xiàn)STEM教育促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合與應(yīng)用的理念，又貼合當(dāng)下初中物理學(xué)科考試評(píng)價(jià)體系的要求.

1 基于STEM教育理念下的初中物理試題命制

1.1 STEM試題命制理念

基于STEM教育理念的物理試題命制立足培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)解決一個(gè)真實(shí)問題的能力.試題以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》為指導(dǎo)，立足學(xué)生發(fā)展，以真實(shí)的STEM問題為背景，結(jié)合物理教學(xué)實(shí)際進(jìn)行命制.同時(shí)強(qiáng)調(diào)試題的作用不僅僅是評(píng)價(jià)本身，更應(yīng)該發(fā)揮其教育的功能[3].體現(xiàn)從“生活”到“試題”的遷移，再從“試題”到“生活”的升華.從而落實(shí)“培養(yǎng)全面發(fā)展的人”的要求.

1.2 STEM試題命制原則

試題命制要基于一個(gè)真實(shí)的STEM問題，體現(xiàn)解決問題的跨學(xué)科綜合性，又以物理知識(shí)與技能為解決問題的出發(fā)點(diǎn)，從中突出課標(biāo)中“三維目標(biāo)”的落實(shí)與考查.同時(shí)凸顯人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新等核心素養(yǎng)的考查與提升.試題命制的基本原則可歸納為：基礎(chǔ)性原則、真實(shí)性原則、綜合性原則、創(chuàng)新性原則和應(yīng)用性原則[4].

1.3 STEM試題命制模式

在研究大量相關(guān)試題的基礎(chǔ)上，結(jié)合初中物理教學(xué)實(shí)際，嘗試將STEM試題命制模式設(shè)置以下幾個(gè)環(huán)節(jié)（如圖1所示）.（1）試題來源于一個(gè)真實(shí)的STEM情景，主要包括基于某一項(xiàng)目、基于某種設(shè)計(jì)和基于探究性問題.（2）試題體現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用的思維，主要表現(xiàn)為是一個(gè)綜合的項(xiàng)目，而非單一的問題;是一個(gè)綜合的情境，而非單一的呈現(xiàn);是一個(gè)有機(jī)的整體，而非單一的維度[5].（3）提煉適合初中物理解決的部分問題，從基礎(chǔ)性問題向創(chuàng)新性問題層層遞進(jìn).（4）發(fā)揮STEM試題的教育功能，學(xué)生試題解答的過程也是一個(gè)再學(xué)習(xí)的過程，使學(xué)生考有所獲，答有所得.（5）通過部分特定STEM試題的解答，充分啟發(fā)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用的興趣.將題設(shè)內(nèi)容結(jié)合自己的想法，反饋到真實(shí)世界的STEM問題中，從中引發(fā)對(duì)試題內(nèi)容的再思考和改進(jìn).實(shí)現(xiàn)由“解題”到“解決實(shí)際問題”的升華.

2 STEM教育理念下的中考試題評(píng)析

2.1 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的STEM試題

例1 （2019麗水）小麗要外出旅游，為防止陽臺(tái)上的盆栽植物缺水，想制作一個(gè)自動(dòng)澆花裝置.

她在瓶底與瓶蓋上各開一個(gè)小孔，瓶內(nèi)裝水（如圖2甲所示）.發(fā)現(xiàn)水從瓶蓋小孔快速流出，不能實(shí)現(xiàn)長期自動(dòng)供水.如何才能實(shí)現(xiàn)長期自動(dòng)供水呢？小麗和拓展小組的同學(xué)進(jìn)行了如下研究.

【實(shí)驗(yàn)研究】只在瓶蓋上開一個(gè)小孔，裝入4/5的水，留下1/5的空氣，瓶子倒放（如圖2乙所示）.在20℃的恒溫室內(nèi)，用40℃的濕毛巾包裹在瓶子有氣體部位，觀察記錄1小時(shí)內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象.

【實(shí)驗(yàn)記錄】開始時(shí)小孔只滴水（如圖2丙所示）;一段時(shí)間后停止滴水，沒有氣泡進(jìn)入;然后小孔只進(jìn)氣泡、不滴水（如圖2丁所示）;最后既不滴水也不進(jìn)氣泡.測出有關(guān)物理量，并繪制成圖（如圖2戊所示）.

換用25℃、30℃、35℃、45℃的濕毛巾重復(fù)實(shí)驗(yàn)，均產(chǎn)生類似現(xiàn)象.

【實(shí)驗(yàn)分析】

（1）瓶子倒置后，瓶內(nèi)液體對(duì)瓶蓋存在;

（2）瓶子內(nèi)氣體吸收毛巾上的熱后溫度會(huì)升高，一段時(shí)間后逐漸恢復(fù)至室溫.結(jié)合裝置滴水的原理以及戊中曲線的變化規(guī)律，分析A、B、C、D四點(diǎn)，其中點(diǎn)瓶內(nèi)氣體溫度最高;

（3）（實(shí)驗(yàn)預(yù)測）若用低于環(huán)境溫度的濕毛巾包在乙瓶子外部，1小時(shí)內(nèi)可觀察到的現(xiàn)象是;

（4）（實(shí)踐應(yīng)用）小麗和拓展小組同學(xué)終于制成了一個(gè)自動(dòng)澆花裝置.結(jié)合一天中氣溫變化的大致規(guī)律分析，該裝置一天中供水的情況是.

評(píng)析 本題以制作自動(dòng)澆花裝置為背景，是一個(gè)綜合的項(xiàng)目.從中涉及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多維度的知識(shí)融合，體現(xiàn)了STEM教育的理念，激發(fā)了學(xué)生的好奇心.其次試題提煉的物理知識(shí)層層遞進(jìn)，從簡單的基礎(chǔ)概念，到結(jié)合實(shí)際問題的分析，接著是預(yù)測分析，最后進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用.同時(shí)，本試題充分發(fā)揮其教育功能，讓學(xué)生在做題過程中對(duì)自制自動(dòng)澆花裝置的原理有了更加清楚的認(rèn)識(shí)，在做題的同時(shí)也學(xué)到了新的知識(shí).最后，本試題中制作的自動(dòng)澆花裝置，取材簡單，生活中實(shí)用性強(qiáng)，能激發(fā)學(xué)生在實(shí)踐中去制作完成，進(jìn)一步提升實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，做到由“解題”到“解決實(shí)際問題”.

例2 （2018河北）制作簡易氣壓計(jì)，觀察大氣壓隨高度的變化.

（1）如圖3所示，在玻璃瓶中倒入適量紅色的水，將插有玻璃管的橡皮塞塞緊瓶口，紅水升到玻璃管一定的高度，但高度不夠，你應(yīng)，使水上升到瓶口以上適當(dāng)位置，制成了簡易氣壓計(jì).

（2）將簡易氣壓計(jì)從四樓移到一樓過程中，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)水柱，說明.

（3）小明將簡易氣壓計(jì)放在陽光下，過一會(huì)兒，他發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)水柱發(fā)生了變化，這一現(xiàn)象說明，簡易氣壓計(jì)的測量結(jié)果會(huì)受到影響.

評(píng)析 本題以制作簡易氣壓計(jì)為項(xiàng)目背景，涉及物理原理、材料選用、制作方法、工

具選擇、數(shù)學(xué)分析等跨學(xué)科的知識(shí)應(yīng)用，體現(xiàn)STEM教育理念.提煉的問題是制作過程中可能遇到的難題，以及在使用過程中會(huì)出現(xiàn)的狀況，使試題本身更具實(shí)踐意義.同樣使學(xué)生考有所獲，答有所得，啟發(fā)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用的興趣.

2.2 基于設(shè)計(jì)的STEM試題

例2 （2018哈爾濱）如圖3是“水位自動(dòng)報(bào)警器”電路圖，容器中裝有鹽水，L1和L2分別是“2.5V，0.3A”和“2.5V，0.5A”的燈泡，下列說法不正確的是（ ）

A. 液面上升到與金屬塊B接觸時(shí)，電磁鐵工作，說明鹽水是導(dǎo)體

B. 液面上升，金屬塊A受到的液體壓強(qiáng)變大

C. L1 工作1min電流做功45J

D. 若在電路中M點(diǎn)接入電鈴，則電鈴響說明水位到達(dá)警戒線

評(píng)析 本題是基于“水位自動(dòng)報(bào)警器”的設(shè)計(jì)為情景，壓強(qiáng)、導(dǎo)電性、電路分析屬于科學(xué)，電路設(shè)計(jì)又涉及工程，功率計(jì)算體現(xiàn)數(shù)學(xué)，是一個(gè)典型的STEM情景.水位自動(dòng)報(bào)警器設(shè)計(jì)巧妙，理論聯(lián)系實(shí)際，既側(cè)重考查學(xué)生物理知識(shí)，又激發(fā)學(xué)生興趣，為將來可能在實(shí)際生活中遇到的類似設(shè)計(jì)問題打下基礎(chǔ).

例3 （2019成都）初三實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)決定設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的身高測量儀，可用器材有電壓恒定的電源、電壓表、電阻絲、定值電阻、開關(guān)、導(dǎo)線（若干）等.他們的設(shè)想是：用滑片在繃直的電阻絲上滑動(dòng)代替滑動(dòng)變阻器;將電壓表改裝成身高顯示儀，所測身高越大，顯示儀示數(shù)越大，且刻度均勻.

（1）同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)了如圖4-1所示電路，老師指出他們的設(shè)計(jì)有不夠合理的地方.你認(rèn)為下列分析正確的是.

A. 移動(dòng)滑片P時(shí).電路的總電阻沒有變化

B. 當(dāng)所測身高越大時(shí)，電壓表的示數(shù)越小

C. 電壓表的示數(shù)變化量跟身高變化量不成正比

D. 電壓表的示數(shù)不能由零變化到最大刻度值

（2）在老師的引導(dǎo)下，同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)出了正確的電路，是圖4-2四個(gè)電路中的電路.

（3）確定正確的電路設(shè)計(jì)方案后，小組成員開始對(duì)器材的參數(shù)進(jìn)行選擇.他們采用了電壓為12V的電源、一根長為80cm的均勻電阻絲（0.5Ω/cm）、量程為0～3V的電壓表.為了讓測量儀測量身高的范圍能達(dá)到最大，且測量精確度最高，選擇的定值電阻R1的阻值應(yīng)該為Ω.

（4）利用選定的器材.小組同學(xué)連接好了測量電路.對(duì)身高為160cm的小曾進(jìn)行測量時(shí)，電壓表的示數(shù)為1.5V;對(duì)小楊進(jìn)行測量時(shí)，電壓表的示數(shù)為1.2V，則小楊的身高為cm.

評(píng)析 本試題以設(shè)計(jì)簡易的身高測量儀為載體，側(cè)重考查了動(dòng)態(tài)電路、歐姆定律等知識(shí)點(diǎn).第（1）問，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的分析，既能達(dá)到考查目的，同時(shí)又能啟發(fā)學(xué)生在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意到的實(shí)際問題，使設(shè)計(jì)更加合理.第（3）、（4）問，結(jié)合科學(xué)和數(shù)學(xué)展開對(duì)器材參數(shù)的選擇，為實(shí)踐中的技術(shù)和工程問題提出理論指導(dǎo).學(xué)生在答題的過程，也是經(jīng)歷產(chǎn)品在走向應(yīng)用前的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的過程.從中培養(yǎng)學(xué)生理性思維、批判質(zhì)疑和勇于探究的科學(xué)精神.

2.3 基于探究性問題的STEM試題

例4 （2018寧波）實(shí)驗(yàn)室購買了一卷標(biāo)有長度為100m的銅芯包線，小科想通過實(shí)驗(yàn)測定其實(shí)際長度.他首先測得導(dǎo)體橫截面積S為1mm2， 查閱資料得知現(xiàn)溫度下這種導(dǎo)線每米的電阻值為0.017Ω.

（1）利用圖5-1所示的實(shí)物圖測出銅導(dǎo)線的電阻.

①實(shí)驗(yàn)中，小科在閉合開關(guān)前應(yīng)將滑片P置于最端.（填“左”或“右”）

②小科通過移動(dòng)滑片P，測得多組數(shù)據(jù)，繪制成U-I圖像如圖5-2，據(jù)此可以判定這卷導(dǎo)線的實(shí)際長度100m.（填“大于”“等于”或“小于”）.

（2）小思認(rèn)為用電子秤測出這卷導(dǎo)線的質(zhì)量m，利用銅的密度ρ，也可以算出實(shí)際長度.請(qǐng)你寫出這卷導(dǎo)線實(shí)際長度l計(jì)算式：l=（用字母表示）.

評(píng)析 本試題是基于一個(gè)探究性問題的STEM試題.以測定銅芯包線長度為探究性問題，引發(fā)學(xué)生思考與實(shí)踐.其中應(yīng)用多種探究的方法，查閱資料、實(shí)驗(yàn)、觀察等，展現(xiàn)出面對(duì)一個(gè)實(shí)際問題時(shí)，我們應(yīng)該采取的思考方向.同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)題又蘊(yùn)含開放的思維方式，提出了2種測量方法，也啟發(fā)學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)能多維度地去思考問題，提出多種解決方案.

3 STEM物理試題命制中應(yīng)注意的問題

實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，基于STEM教育理念的初中物理試題命制，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：試題選取的STEM項(xiàng)目背景應(yīng)貼近生活實(shí)際，具有可操作性;問題設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)側(cè)重提煉符合初中物理教學(xué)實(shí)際的問題，不應(yīng)為了強(qiáng)行貼合STEM理念而提出超出考綱要求的設(shè)問.使試題最終回歸到在這個(gè)STEM項(xiàng)目背景中，初中物理知識(shí)應(yīng)發(fā)揮的作用;在日常教學(xué)和考試評(píng)價(jià)中，有意識(shí)地滲透STEM教育理念，能有效提高學(xué)生解決類似STEM試題的能力;試題完成后，若有條件，可以鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用，從中引發(fā)對(duì)試題內(nèi)容的再思考和改進(jìn).真正實(shí)現(xiàn)由“解題”到“解決實(shí)際問題”的升華.

4 結(jié)語

基于STEM教育理念的初中物理試題命制，既能體現(xiàn)STEM教育促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合與應(yīng)用的理念，又符合當(dāng)下初中物理學(xué)科的評(píng)價(jià)原則.此類試題能有效促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”等物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，使試題不僅僅停留在評(píng)價(jià)功能，更發(fā)揮其教育的功能.同時(shí)，通過STEM教學(xué)實(shí)際與STEM試題評(píng)價(jià)相結(jié)合，能更有效地提高學(xué)生面對(duì)未來世界時(shí)解決真實(shí)問題的能力.

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（收稿日期：2019-07-11）