“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”課程開發(fā)的實(shí)踐與思考

葉軍 黃彥焱

摘?要：結(jié)合十年多來(lái)在“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課開發(fā)中的親身經(jīng)歷，從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程實(shí)施和課程評(píng)價(jià)等方面，通過(guò)具體案例簡(jiǎn)要介紹了“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”課程開發(fā)的幾點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和思考.

關(guān)鍵詞：STEM活動(dòng);選修課程;開發(fā);數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0012?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：葉軍（1982-），男，浙江富陽(yáng)人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中物理演示實(shí)驗(yàn)研究;

黃彥焱（1981-），女，浙江塘棲人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：信息技術(shù)教學(xué)研究.

浙江省將中小學(xué)STEAM教育作為促進(jìn)人才培養(yǎng)模式變革的重要舉措之一，在基礎(chǔ)教育階段積極探索以STEAM教育為切入點(diǎn)的科技創(chuàng)新教育[1].面對(duì)STEAM教育進(jìn)入中小學(xué)課堂這一新變化以及如何開發(fā)STEAM類課程，教師層面顯然還沒(méi)有做好充分的心理和技術(shù)準(zhǔn)備.

近十年多來(lái)，筆者所在學(xué)校物理教研組在幾位名優(yōu)教師的帶領(lǐng)下，圍繞STEM活動(dòng)類選修課程的開發(fā)做了大量的工作，積累了一些經(jīng)驗(yàn).其中“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課受到了在校學(xué)生的廣泛好評(píng)，被選送為省級(jí)精品選修課程.本文試圖通過(guò)具體案例的分析，談?wù)劰P者在“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”課程開發(fā)過(guò)程中的幾點(diǎn)體會(huì)和思考.

1?關(guān)于“課程”概念和課程目標(biāo)

關(guān)于“課程”，不同的人有不同的界定.按大多數(shù)人的理解，課程是指課業(yè)及其進(jìn)程的總和，具體表現(xiàn)為三種形態(tài)：即課程計(jì)劃、課程標(biāo)準(zhǔn)和教科書[2-3].

對(duì)于廣大一線教師而言，“課程”這個(gè)概念是既熟悉又陌生的.熟悉，是因?yàn)槲覀兊谋匦拚n程物理課堂教學(xué)，始終是在普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的指引下，教師們通過(guò)認(rèn)真分析本學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)，明確教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)對(duì)教科書上的內(nèi)容精心組織教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程.

陌生，是因?yàn)槲覀內(nèi)狈膶W(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，站在較為宏觀的視野，缺乏對(duì)課程內(nèi)容按學(xué)科知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇和安排的具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).簡(jiǎn)而言之，我們擅長(zhǎng)的物理課堂教學(xué)只是工廠流水線上的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)，而開發(fā)一門課程無(wú)疑是設(shè)計(jì)一整條生產(chǎn)線.

有了正確的課程觀，才能進(jìn)一步確定課程目標(biāo).學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生實(shí)際情況及STEAM類課程的跨學(xué)科價(jià)值定位，決定了“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”課程需要學(xué)生達(dá)成什么樣的教學(xué)目標(biāo).

案例1?“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”課程目標(biāo)節(jié)選

“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”，是以PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)踐與創(chuàng)新思想的課程，是充分考慮到高中階段學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與思維特點(diǎn)的一門選修課，旨在讓學(xué)生經(jīng)歷背景與目標(biāo)、科學(xué)與詮釋、器材與要求、技術(shù)與探索、 工程與制作、思考與討論、傳感器介紹等七個(gè)欄目的學(xué)習(xí)過(guò)程，引發(fā)學(xué)生研究興趣.符合STEAM類課程突破學(xué)科中心束縛、改善學(xué)習(xí)方式、提供課程的廣闊空間、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展等特點(diǎn).本選修課，采用開放式教學(xué)手段引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究，研究的過(guò)程中盡量保證實(shí)驗(yàn)條件的公平，用數(shù)學(xué)的手段進(jìn)行測(cè)量、記錄和統(tǒng)計(jì)分析，用工程和技術(shù)的知識(shí)去建立模型和創(chuàng)造.集探究性、趣味性、知識(shí)性、創(chuàng)新性于一體，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改變學(xué)生對(duì)物理乏味無(wú)用的看法.

可見(jiàn)，課程目標(biāo)的確定，要從本校學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，明確本課程對(duì)學(xué)生具有什么樣的教育教學(xué)價(jià)值和意義，突出學(xué)生哪些方面能力的培養(yǎng)，同時(shí)充分考慮學(xué)生的興趣和需要，再結(jié)合教師自身的優(yōu)勢(shì)、特長(zhǎng)，才能開發(fā)出具有較高立意、深受學(xué)生歡迎的STEAM類選修課程.

2?關(guān)于課程內(nèi)容

課程內(nèi)容是整個(gè)選修課程的中心部分或基本部分.選修課總課時(shí)較少，只有緊緊圍繞課程目標(biāo)，精心挑選那些人類文化遺產(chǎn)中的精華，才能充分發(fā)展學(xué)生的各方面能力，以適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的需要.

經(jīng)過(guò)十多年的探索，筆者總結(jié)出“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課的開發(fā)從以下幾個(gè)方面尋求突破.

2.1?拓展學(xué)生知識(shí)

高中物理必修課程是為全體學(xué)生設(shè)計(jì)的，主要從力與運(yùn)動(dòng)、功和能兩個(gè)角度闡述了質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)、電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容.以人教版教材為例，教材中大量設(shè)置了諸如“科學(xué)漫步”“做一做”“STS”等欄目，很好地拓展了學(xué)生的知識(shí)視野，引導(dǎo)學(xué)生將物理知識(shí)與生活實(shí)際相聯(lián)系，關(guān)注物理學(xué)史和科技前沿問(wèn)題，令課程充滿了時(shí)代性、實(shí)踐性和生活情趣.

但實(shí)際教學(xué)中，大多數(shù)教師感到必修課程時(shí)間緊、任務(wù)重，很多有助于提升科學(xué)素養(yǎng)但高考不要求的知識(shí)往往被弱化或回避，使得必修課程完全被考試綁架.學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)得不到全面保證，長(zhǎng)期的“偏食”導(dǎo)致思維的畸形和興趣的喪失.

基于以上分析，利用選修課程對(duì)學(xué)生進(jìn)行一定程度的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)償式教學(xué)，不僅能打開學(xué)生的思維禁錮，更能活化頭腦中的必修知識(shí)內(nèi)容，消除必修課堂內(nèi)容過(guò)于單一造成的副作用.通過(guò)全景式還原物理學(xué)科知識(shí)，最終達(dá)到更深入理解必修課程內(nèi)容的目的，從而提升教學(xué)質(zhì)量.

因此，筆者所在的物理教研組對(duì)必修課程中值得深入挖掘、拓展的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了整理，開發(fā)了一門針對(duì)普通高中一年級(jí)優(yōu)等生或普通高中二年級(jí)及以上學(xué)生學(xué)習(xí)的STEM類選修課程“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”.

案例2?“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課目錄

從選修課目錄表1可以看出本課程以朗威DISlab數(shù)字化傳感器應(yīng)用為主線（基本涵蓋數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)配傳感器），引導(dǎo)學(xué)生初步掌握物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)和基本操作技能，對(duì)必修課程重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)物理的知識(shí)性和趣味性.當(dāng)然，除了圍繞必修課程進(jìn)行知識(shí)拓展，物理學(xué)史、科技前沿、大學(xué)課程入門等也是很好的選材方向.

2.2?提升學(xué)生能力

心理學(xué)對(duì)“能力”的定義為：能力是人順利完成某種活動(dòng)所必需具備的心理特征[2-3].全國(guó)高考物理學(xué)科委員會(huì)根據(jù)物理學(xué)科的特點(diǎn)和需要，將物理能力分為五個(gè)方面： 理解能力、推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問(wèn)題的能力以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

從物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)看，物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué).觀察和實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的基本方法，是獲得感性材料、探索物理規(guī)律、認(rèn)識(shí)物理世界的基本手段，也是檢驗(yàn)物理理論真理性的唯一標(biāo)準(zhǔn).而在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，物理必修課程的教學(xué)大多以知識(shí)為主要載體，以理論探討為主要形式，對(duì)學(xué)生物理能力中的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ貏e是觀察能力、動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)往往不夠.

根據(jù)以上分析，筆者所開發(fā)的“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課，編寫了5個(gè)來(lái)源于課本的STEM活動(dòng)案例，具有較強(qiáng)的可操作性.利用學(xué)生的自我實(shí)踐過(guò)程剝?nèi)ゼ兇馕锢砟Ｐ秃臀锢韺?shí)驗(yàn)的神秘面紗，縮小了課本與實(shí)踐的差距，增強(qiáng)了學(xué)生應(yīng)用物理和實(shí)踐物理的自信.同時(shí)，科學(xué)與詮釋的創(chuàng)新環(huán)節(jié)可以有力地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，大幅地提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

案例3?選修課“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”的設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，每個(gè)STEM活動(dòng)案例，首先介紹相關(guān)的知識(shí)背景及活動(dòng)目標(biāo)，然后通過(guò)物理建模、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分工、實(shí)踐等學(xué)生活動(dòng)，體驗(yàn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過(guò)程;通過(guò)不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的實(shí)踐能力;通過(guò)總結(jié)、問(wèn)題探究升華對(duì)探究知識(shí)的現(xiàn)實(shí)意義的認(rèn)知.

“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課充分發(fā)揮課本“科學(xué)漫步”“做一做”“STS”“課題研究”等欄目的外延價(jià)值，通過(guò)學(xué)生拓展操作一批課本實(shí)驗(yàn)，使用實(shí)驗(yàn)室的各種實(shí)驗(yàn)器材，同時(shí)通過(guò)老師對(duì)課本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)和輔助，將物理拓展性實(shí)驗(yàn)整合開發(fā)為特色STEM類選修課程，實(shí)現(xiàn)了學(xué)?？萍假Y源使用價(jià)值的最大化.除了進(jìn)一步挖掘課本實(shí)驗(yàn)外，也可將高中物理研究性學(xué)習(xí)、學(xué)生小課題、小論文等資源整合、改造成STEM類選修課，有力提升學(xué)生的綜合能力.

2.3?培養(yǎng)學(xué)生情感

從廣義上理解，“情感”是指包括情緒體驗(yàn)在內(nèi)的一切態(tài)度體驗(yàn).它是反映客觀事物與人自身需要之間關(guān)系的一種心理過(guò)程.個(gè)體通過(guò)一系列的態(tài)度體驗(yàn)，形成態(tài)度、價(jià)值觀、意志品質(zhì)等各種性格特征[2-3].

教育部的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出，要通過(guò)高中物理課程，充分發(fā)展學(xué)生科學(xué)探索的興趣，發(fā)展好奇心與求知欲，培養(yǎng)堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神[4-5].

因此，物理課程的學(xué)習(xí)，不僅是為了拓寬學(xué)生的知識(shí)面，如果教師在傳授物理知識(shí)的同時(shí)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷獲取知識(shí)的整個(gè)過(guò)程，細(xì)心體會(huì)物理與生活實(shí)際的緊密聯(lián)系，不斷感受物理學(xué)發(fā)展史上科學(xué)巨人們的精神激勵(lì)，那么學(xué)生必然會(huì)對(duì)物理知識(shí)產(chǎn)生更深層次的領(lǐng)悟.

筆者試圖通過(guò)“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)被考試“閹割”了的必修課程在情感方面的缺失，最大程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，讓學(xué)生感受到物理學(xué)蘊(yùn)含的真善美，培養(yǎng)學(xué)生積極的思維品質(zhì)，從而改變物理課學(xué)習(xí)效率不高的現(xiàn)狀.

案例4?選修課“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”之“廣濟(jì)古橋結(jié)構(gòu)探尋”教材節(jié)選

【背景與目標(biāo)】

每天放學(xué)，我們都要經(jīng)過(guò)運(yùn)河邊的馬路，家鄉(xiāng)塘棲古鎮(zhèn)的水鄉(xiāng)風(fēng)貌，是那樣的引人神往，然而最讓家鄉(xiāng)父老引以自豪的，就是橫跨在運(yùn)河上的廣濟(jì)長(zhǎng)橋，這座據(jù)傳始建于唐代的千里京杭運(yùn)河上唯一的七孔石拱橋，有著古樸雄偉的橋身，造型優(yōu)美的橋孔，無(wú)論遠(yuǎn)近還是角度變化觀察，古橋都給人們以建筑美的藝術(shù)享受，它反映了古代勞動(dòng)人民高超的造橋技術(shù)，那么，橋的高度、長(zhǎng)度、橋孔的數(shù)量與大小以及橋墩的形狀，古人是依據(jù)什么來(lái)設(shè)計(jì)的呢？古橋?yàn)槭裁匆倭⑶瓴坏?，良好的防臺(tái)風(fēng)、防洪以及抗壓性能又是怎么做到的，究竟蘊(yùn)含著怎樣的物理原理？同學(xué)們認(rèn)為“對(duì)廣濟(jì)古橋結(jié)構(gòu)探尋”這個(gè)題目可以作為STEM活動(dòng)的課題.

【器材與要求】（略）

【科學(xué)與詮釋】[6]（略）

【工程與制作】

制作盡量符合實(shí)際的廣濟(jì)古橋模型（如圖2所示）.

【技術(shù)與探索】[6]

（1）廣濟(jì)古橋的抗壓功能探究（略）

（2）廣濟(jì)古橋的防洪功能探究（略）

（3）廣濟(jì)古橋的防臺(tái)風(fēng)功能探究（略）

【思考與討論】

親愛(ài)的朋友們，我們生活在美麗的家鄉(xiāng)塘棲，喝著古鎮(zhèn)運(yùn)河的水，不妨約上好朋友一起看一看坐落在古鎮(zhèn)運(yùn)河上的其它橋梁吧！然后查閱更多資料，告訴大家我們古鎮(zhèn)運(yùn)河上共有幾座大橋？它們叫什么名字、建在哪些位置？分別是什么類型的橋梁？比較各種橋梁的優(yōu)缺點(diǎn)，查閱結(jié)果填入表2.

“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課程以生活中的物理實(shí)例為情景，充分體現(xiàn)物理源于生活、用于生活、高于生活的理念，引領(lǐng)學(xué)生關(guān)注生活，從生活走向物理，用物理改變生活.通過(guò)實(shí)驗(yàn)、制作、展示、征文等活動(dòng)，能進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和物理應(yīng)用意識(shí)，養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.

除此之外，在選修課程資源建設(shè)中，充分開發(fā)學(xué)校周邊的人文、社會(huì)資源，能極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.

綜上所述，我們努力的方向，就是要通過(guò)“物理知識(shí)拓展”延伸學(xué)生視野的廣度，通過(guò)“物理能力提升”增加學(xué)生創(chuàng)新的高度，通過(guò)“物理情感培養(yǎng)”挖掘?qū)W生理解的深度.

3?關(guān)于課程實(shí)施和評(píng)價(jià)

相對(duì)于必修課，選修課少了考試指揮棒的束縛，但不代表選修課程的實(shí)施與評(píng)價(jià)具有隨意性.因選修課程的開發(fā)總體上還處在探索階段，在課程實(shí)施與評(píng)價(jià)方面能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)并不多.筆者結(jié)合自身情況，簡(jiǎn)要闡述在校本教材編寫等方面所做的工作.

3.1?關(guān)于校本教材的開發(fā)

教科書是最基本、最重要的課程資源之一.在深化課程改革理念和目標(biāo)的實(shí)施過(guò)程中，選修課程教科書的編寫具有重要的作用.筆者的體會(huì)是，教科書的編寫對(duì)教師的專業(yè)素養(yǎng)和學(xué)科認(rèn)知要求極高，必須經(jīng)歷一個(gè)逐步積累的過(guò)程.因此，對(duì)于初步嘗試選修課程開發(fā)的教師來(lái)說(shuō)，筆者的建議是從學(xué)案、教案起步，做好各類教學(xué)資源的收集和整理工作，才能厚積薄發(fā)，最終編寫出多樣化的、富有特色的、符合學(xué)生需求的校本教材.

以下是“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”選修課教材編寫思路的展示.

案例5?選修課“中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM活動(dòng)”教材編寫思路.

3.1.1?指導(dǎo)思想

①貼切課本，對(duì)課本中不方便展開的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充;

②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)必須是大部分學(xué)校和老師可以完成的;

③書寫方式生動(dòng)、活潑、有趣.

3.1.2?編寫要點(diǎn)

①背景與目標(biāo)：創(chuàng)設(shè)情境，提出STEM活動(dòng)主題;

②器材與要求：呈現(xiàn)材料、提出STEM活動(dòng)要求;

③科學(xué)與詮釋：物理建模、架構(gòu)STEM活動(dòng)原理;

④工程與制作：動(dòng)手操作、制作STEM活動(dòng)模型;

⑤技術(shù)與探索：科學(xué)探究、體驗(yàn)STEM活動(dòng)過(guò)程;

⑥思考與討論：拓寬廣度、拓展STEM活動(dòng)過(guò)程;

⑦傳感器介紹：科技知識(shí)，加深深度，擴(kuò)大知識(shí)面.

3.2?選編內(nèi)容

人教版全套物理，來(lái)源于課本的 “科學(xué)漫步”“做一做”“STS”“課題研究”等欄目.

（1）精心設(shè)計(jì)5個(gè)STEM活動(dòng)案例，覆蓋力、熱、聲、電、磁等領(lǐng)域;

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則及建議.

①原創(chuàng)性原則：實(shí)驗(yàn)必須自己做過(guò)，自己拍照片，自己測(cè)得數(shù)據(jù);

②資源共享原則：引用網(wǎng)絡(luò)或其他來(lái)源的內(nèi)容，需征求作者意見(jiàn)，并注明出處，網(wǎng)上的資料若找不到作者，必須說(shuō)明.

4?關(guān)于課程評(píng)價(jià)

在課程評(píng)價(jià)方面，該課程特別注重學(xué)生評(píng)價(jià)過(guò)程性和結(jié)果性相結(jié)合，既重視學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的能力發(fā)展，又注重學(xué)生動(dòng)手制作的能力培養(yǎng)，讓學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)興趣同步發(fā)展.根據(jù)物理學(xué)科的特點(diǎn)，本課程對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，體現(xiàn)了從課堂的學(xué)習(xí)延伸到課外的活動(dòng)，從物理知識(shí)的理解到物理知識(shí)的應(yīng)用，從理論知識(shí)的掌握到操作技能的提高，全面考察學(xué)生學(xué)習(xí)的成果和能力.

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（收稿日期：2019-08-26）