基于STEM理念的初中物理教學(xué)設(shè)計初探

區(qū)燕珍

【摘要】 科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)示著社會對人才的綜合能力要求更高，主張學(xué)科融合的STEM教育在中學(xué)科學(xué)教育中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文結(jié)合初中物理教學(xué)實施，分析初中生的特點(diǎn)，結(jié)合STEM的教育理念，對初中物理熱學(xué)部分內(nèi)容的教學(xué)進(jìn)行重新設(shè)計，結(jié)合課堂中教學(xué)實際，對教學(xué)效果進(jìn)行了分析總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】 STEM教育 物理教學(xué) 核心素養(yǎng)

【中圖分類號】 G633.7

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 1992-7711（2020）01-155-020

一、引言

隨著社會的發(fā)展，從知識經(jīng)濟(jì)時代到后工業(yè)時代再到現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)時代，低創(chuàng)造性的職業(yè)、崗位逐步被機(jī)械化取代，知識在互聯(lián)網(wǎng)上外掛，對學(xué)習(xí)者知識記憶等低階認(rèn)知要求逐步降低，社會對人才需求趨向于綜合性。目前單科教學(xué)的方式難以達(dá)到對綜合性人才的培養(yǎng)要求，尤其是高素質(zhì)的工程人才。而以學(xué)科整合為背景的STEM教育在中學(xué)科學(xué)教育中發(fā)揮著越來越重要的作用。物理作為理工科課程，在初中的物理教學(xué)中融入STEM概念，并基于STEM概念開展相關(guān)知識的教學(xué)顯得很有必要。

二、STEM概述

STEM 是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的首字母組成。在飛速發(fā)展的科技創(chuàng)新背景下，STEM 教育的出現(xiàn)意在彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育所出現(xiàn)的問題，與當(dāng)前中國分科教學(xué)相比，STEM 教育突破了學(xué)科之間的獨(dú)立性且重新定義了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的集成內(nèi)涵，預(yù)示著學(xué)科教育應(yīng)多關(guān)注學(xué)科之間的聯(lián)系。

三、新課程標(biāo)準(zhǔn)對初中物理教學(xué)的要求

我國2011年頒布的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出義務(wù)教育階段的物理課程作為科學(xué)教育的組成部分，是以提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程。此階段的物理課程不僅應(yīng)注重科學(xué)知識的傳授和技能的訓(xùn)練，而且應(yīng)結(jié)合實驗，注重與生產(chǎn)、生活實際、時代發(fā)展的聯(lián)系，讓學(xué)生經(jīng)歷實驗探究過程并關(guān)注技術(shù)應(yīng)用帶來的社會進(jìn)步和問題，使學(xué)生掌握科學(xué)探究方法，提高分析問題及解決問題的能力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)。2016年9月教育部發(fā)布了《中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》，明確了學(xué)生發(fā)展的六大核心素養(yǎng)，其中物理學(xué)科核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“實驗探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個方面的要素構(gòu)成。

四、初中物理教學(xué)現(xiàn)狀分析

物理作為自然科學(xué)的一部分，與生活、科技、社會發(fā)展關(guān)系密切。新課改強(qiáng)調(diào)物理知識在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)活動、社會生活中的應(yīng)用。鼓勵教師在日常教學(xué)中整合教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計并開發(fā)課程，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。但在考試評價的背景下，教師更過于注重強(qiáng)調(diào)概念、定義和解題方法，教學(xué)脫離了真實的生產(chǎn)生活情景，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，利用物理知識解決實際問題的能力有待提高。雖然，在某些習(xí)題或者教學(xué)環(huán)節(jié)中，對稍微結(jié)合現(xiàn)實生活情景，但也知識粗略帶過，并沒有深入地讓學(xué)生體驗物理與現(xiàn)實社會生活的機(jī)密聯(lián)系。

五、基于STEM理念的物理教學(xué)開展的重要性

為了深入實施《中國制造2025》，進(jìn)一步提高制造業(yè)人才隊伍素質(zhì)，實現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。2016年12月由國家教育部、人資部、工信部共同編制《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》（下文簡稱《指南》）?！吨改稀分刑岢隽酥圃鞓I(yè)人才發(fā)展的主要任務(wù)，要求在基礎(chǔ)教育階段的實踐活動課程、通用技術(shù)課程中加強(qiáng)學(xué)生制造業(yè)基礎(chǔ)知識、能力和觀念的啟蒙和培養(yǎng)。由此可見，無論是物理新課程標(biāo)準(zhǔn)還是《指南》中，都對基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)提出了要求。

在STEM教育中所包括的工程與技術(shù)理念，符合基礎(chǔ)教育培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”、“實驗探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的教學(xué)目標(biāo)要求。結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)與學(xué)生發(fā)展階段特點(diǎn)，讓學(xué)生在“玩”中學(xué)、在“做”中練、在“設(shè)計”中應(yīng)用，提高解決實際問題能力的策略。在STEM教育理念指導(dǎo)下，利用解決問題、設(shè)計項目等活動的設(shè)置，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)素養(yǎng)。在初中物理教學(xué)中融入STEM教育理念，既能提高學(xué)生對物理知識的學(xué)習(xí)興趣，又有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。同時有助于提高課堂教學(xué)的效率，給物理教學(xué)提供新思路，給學(xué)生提供更完善的知識背景，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生之后的學(xué)業(yè)選擇、職業(yè)選擇以及終身學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)具有 STEM 綜合素養(yǎng)的人才。

六、基于STEM理念的物理教學(xué)設(shè)計實例——自制便攜冰箱

基于STEM理念的物理教學(xué)設(shè)計應(yīng)包含一下幾個方面：學(xué)情分析與教學(xué)目標(biāo)：了解學(xué)生最近學(xué)習(xí)或準(zhǔn)備學(xué)習(xí)的課程的相關(guān)主題，對學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容、課程內(nèi)容、以及學(xué)科概況有宏觀上的了解從而確定符合學(xué)生現(xiàn)狀的教學(xué)主題，明確合適的教學(xué)目標(biāo)。 教學(xué)問題設(shè)計：所設(shè)計的教學(xué)問題要基于現(xiàn)實世界和情況，能夠吸引學(xué)生的興趣，激發(fā)他們探索和深入了解相關(guān)知識，而且需要團(tuán)隊成員之間的合作來解決。 教學(xué)步驟的構(gòu)建：教師可以通過分解問題構(gòu)建教學(xué)步驟，分析問題解決的阻力，合理安排教學(xué)實踐開展的順序，協(xié)助學(xué)生解決教學(xué)問題，從而達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。 多元化評價：學(xué)生通過學(xué)習(xí)設(shè)計出解決問題的方案后，提供平臺讓學(xué)生展示、測試、交流、優(yōu)化方案，并對相關(guān)知識進(jìn)行拓展運(yùn)用等。

（一）分析學(xué)情與確定教學(xué)目標(biāo)

八年級的學(xué)生即將要開展物理科的學(xué)習(xí)，對物理科學(xué)習(xí)的內(nèi)容、為什么要學(xué)習(xí)物理、學(xué)習(xí)物理有什么實質(zhì)好處等各個方面都充滿疑惑和好奇。通過主題為“自制便攜冰箱”的項目課程的學(xué)習(xí)，以期達(dá)到以下幾個教學(xué)目標(biāo)：

（1）讓學(xué)生將真實生活中遇到的問題與物理知識產(chǎn)生聯(lián)系，讓學(xué)生體驗到物理與日常生活緊密聯(lián)系，并不神秘，消除學(xué)生對物理的陌生感。

（2）掌握并應(yīng)用相關(guān)的物理知識：熱傳遞、比熱容、溫度計、物態(tài)變化。

（3）制造一個實用便攜的冰箱，在制作和優(yōu)化項目作品的過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（二）提出教學(xué)問題

通過視頻資料展現(xiàn)真實生活情景，提出制作便攜冰箱的項目主題、吸引學(xué)生興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情：炎炎夏日小明與伙伴們到郊外游玩，休息時想喝冷飲降溫，但是經(jīng)過幾個小時的游玩后，原來冰冷的飲料已經(jīng)被曬熱，食物也變味腐壞。如果有一個能夠行走的冰箱，就可以解決這些問題。請同學(xué)們利用提供的工具制作一個便攜冰箱吧。

（三）設(shè)計教學(xué)步驟

教師作為引導(dǎo)者，通過提出以下問題，協(xié)助學(xué)生整理思路，開展項目活動。

1.冬天，當(dāng)我們想隨時喝到溫水時，會使用保溫杯裝水。請同學(xué)們思考下面的問題：

（2014年廣州市初中畢業(yè)生學(xué)業(yè)考試第23題）有兩個容積相同的保溫杯，設(shè)計實驗比較哪個杯的保溫效果好。

（1）需要的實驗器材：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .

（2）寫出實驗步驟和判斷哪個杯保溫效果好的根據(jù)。

學(xué)生在解決問題的過程中，學(xué)習(xí)并掌握了人教版物理八年級上冊第三章第1節(jié)《溫度計》的相關(guān)內(nèi)容：知道溫度及攝氏溫度的規(guī)定;通過“用溫度計測量水的溫度”的實驗，了解溫度計的結(jié)構(gòu)及工作原理并且會使用溫度計測量溫度，感受物理與生活的緊密聯(lián)系。同時了解水溫降低的原因：不同溫度的兩個物體接觸后會發(fā)生熱傳遞，使高溫的水放出熱量溫度降低。讓學(xué)生再次感悟到物理與生活息息相關(guān)，無處不在，同時引發(fā)學(xué)生思考如何減緩熱傳遞，使保溫杯的保溫效果更好。從而引出下一個學(xué)習(xí)內(nèi)容：

2.請學(xué)生說說生活中見到過的隔熱材料或隔熱方式，課后鼓勵學(xué)生利用資源豐富的互聯(lián)網(wǎng)查找相關(guān)信息，引導(dǎo)學(xué)生正確使用網(wǎng)絡(luò)，增長見聞，幫助學(xué)習(xí)。

3. 通過視頻了解冰箱的基本結(jié)構(gòu)和制冷原理。并具體展開學(xué)習(xí)人教版物理八年級上冊第第三章相關(guān)的物態(tài)變化的內(nèi)容，知道同種物質(zhì)在固、液、氣三個狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時會吸熱或者放熱，為自制冰箱奠定初步理論基礎(chǔ)。

4.為自制冰箱挑選制冷劑的過程當(dāng)中，通過對人教版物理九年級全一冊第十三章《比熱容》的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解到不同物質(zhì)吸熱能力不同。學(xué)生綜合考慮制冷材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容等各方面因素，參考網(wǎng)上查詢的資料，最終確定冰箱的制冷劑。

5.整個項目學(xué)習(xí)、制作的過程中，各小組成員分工合作，設(shè)計、挑選材料、組裝、外形美化等充分發(fā)揮小組成員的個人特長，讓每一個成員都參與其中，并為之自豪。

6.冰箱完成后，完善作品。

（四）開展教學(xué)評價

各個小組作品完成后，讓小組每一個成員就其負(fù)責(zé)的方面向全體同學(xué)介紹作品并分享制作心得。各個小組都分享完成后，教師再次作為引導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生從冰箱的重量（便攜性）、保溫時長（實用性）、容量、外形等多個方面以產(chǎn)品拍賣的方式評選一個最佳作品，每個小組可以獲得拍賣價格對應(yīng)的飲料和食物，放在制作的冰箱中，冷凍后食用。項目結(jié)束后，鼓勵學(xué)生吸取其他小組的冰箱的優(yōu)點(diǎn)，繼續(xù)完善自己小組的作品，并在實際生活中使用。在不斷的使用過程中繼續(xù)提升，改良，拓展。

（五）教學(xué)反思

“自制便攜冰箱”項目課程的教學(xué)，主要以物理知識和工程技術(shù)為主線，讓學(xué)生在工程制作的過程意識到學(xué)習(xí)物理知識的需要，然后按照學(xué)生的需求教授相應(yīng)的物理知識，對初中八九年級的物理熱學(xué)知識整合作為模塊一起講授，使得學(xué)生對知識的掌握成塊狀，并且綜合運(yùn)用，突破了物理熱學(xué)知識的分散造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難的難點(diǎn)。在項目課程開展的過程中學(xué)生會主動利用網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)信息，以改良自己制作的冰箱，體驗了產(chǎn)品制作到完善的全過程，對于學(xué)生日后的工程制作有很好的示范作用。冰箱的制作涉及各個方面，最大程度地激發(fā)了小組每個成員的參與積極性，充分發(fā)揮每位小組成員的特長，體現(xiàn)出現(xiàn)在社會當(dāng)中不同的人擔(dān)任的角色。但是物理課時有限，關(guān)于冰箱的制作則需要學(xué)生在課后的時間自覺到實驗室制作，教師也利用課后的時間及時指導(dǎo)學(xué)生的制作，最后在物理課堂上進(jìn)行展示與交流。

七、結(jié)語

多學(xué)科融合的STEM教育理念的指導(dǎo)下，開展初中物理教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性人才。但符合我國目前教育制度的STEM教育模式仍不成熟，借鑒不足的背景下，需要教師認(rèn)真整合本學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容的同時，也需要具備其他相關(guān)學(xué)科的知識，合理設(shè)計教學(xué)項目，在不斷的嘗試與反思中，不斷完善。

【注：本文系廣東教育學(xué)會教育科研規(guī)劃小課題“基于STEM教育理念的初中物理教學(xué)設(shè)計研究”成果（課題編號：GDXKT20582）】

[ 參? 考? 文? 獻(xiàn) ]

[1]王玲玲，基于STEM的小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計研究[J].華東師范大學(xué)，2015（5）.

[2]教育部，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》，http：//www.hteacher.net/jiaoshi/20120202/20600.html.

[3]柴秀芹、王鳳程，基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗課教學(xué)——“驗證機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（5）：24-25.

[4]教育部、人力資源和社會保障部、工業(yè)和信息化部，《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》，https：//wenku.baidu.com/view/0c9956c16aec0975f46

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[5]汪依凡.基于STEM的初中物理教學(xué)策略與設(shè)計研究[J].揚(yáng)州大學(xué)，2018（5）.