淺談在高中物理教學(xué)中滲透STEM教育理念的策略

陳思鑫

摘要：現(xiàn)如今高中生更多關(guān)注的是記憶和解題技巧，而不是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。在高中物理教學(xué)中滲透STEM教育理念是改變這一問(wèn)題的新思路。從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，提出以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，注重知識(shí)與真實(shí)情境相聯(lián)系，提出了強(qiáng)化科學(xué)探究，重視項(xiàng)目設(shè)計(jì)的課堂模式。

關(guān)鍵詞：高中物理;STEM教育;價(jià)值

一、 STEM教育的現(xiàn)狀

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫。STEM教育不是四門學(xué)科簡(jiǎn)單的疊加組合，而是以多種多樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)方式支持學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題中實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科知識(shí)和方法的整合、運(yùn)用和遷移。近年來(lái)，STEM教育受到世界各國(guó)的重視，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家都設(shè)計(jì)了本國(guó)STEM教育發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)也在2018年由中國(guó)教育科學(xué)研究院提出了“中國(guó)STEM教育2029行動(dòng)計(jì)劃”，這必將極大推動(dòng)我國(guó)STEM教育真正落地并持續(xù)健康發(fā)展。在中小學(xué)教育階段，目前STEM教育主要在小學(xué)階段嘗試，在高中階段的STEM教育的研究和實(shí)踐則相對(duì)滯后。

二、 滲透STEM教育理念的價(jià)值

（一）有利于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是指學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷形成的適應(yīng)社會(huì)需要和個(gè)人發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力。這就要求物理老師不僅僅是課堂上物理知識(shí)的傳授，不能簡(jiǎn)單以解題代替能力的培養(yǎng)和科學(xué)思維的提升。應(yīng)該創(chuàng)設(shè)條件讓學(xué)生把物理所學(xué)的作為一種工具、一種思維方式去探討實(shí)際問(wèn)題。STEM教育所倡導(dǎo)的在真實(shí)情境中學(xué)科融合多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的理念與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一致的。

（二）高考中體現(xiàn)STEM教育理念

物理與數(shù)學(xué)、科學(xué)的其他學(xué)科、工程、技術(shù)等方面的聯(lián)系十分緊密，近年來(lái)高考中不少題目出現(xiàn)了融合了技術(shù)和工程背景的物理試題。2016年出現(xiàn)的利用熱敏電阻設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)，2017年出現(xiàn)的測(cè)量稀薄氣體壓強(qiáng)的儀器，2018年探討高空墜物的沖擊力問(wèn)題，2019年利用數(shù)碼相機(jī)連拍功能研究自由落體等等。在高考試題中出現(xiàn)物理學(xué)科與工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)的融合，這要求在平時(shí)教學(xué)中要重視STEM教育滲透在教學(xué)環(huán)節(jié)中。

（三）有利于學(xué)生的生涯規(guī)劃教育

如今高中生在學(xué)校里接受物理教育，卻很少能反映從事物理相關(guān)職業(yè)的人實(shí)際的工作。如果學(xué)生能在高中階段體驗(yàn)到像科學(xué)家一樣探究問(wèn)題，像工程師一樣解決問(wèn)題，了解相關(guān)的職業(yè)及其發(fā)展前景，能讓學(xué)生更好地樹立人生目標(biāo)，對(duì)其今后的就業(yè)選擇具有指導(dǎo)意義。更為重要的是在開展STEM教育過(guò)程中提高學(xué)生的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，為培養(yǎng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的復(fù)合型、創(chuàng)新型人才奠定了基礎(chǔ)?！糎J0.65mm〗

（四）有利于強(qiáng)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力

STEM教育是基于美國(guó)所具備的科技人才資源于全世界中比例逐步下降，且在亞洲國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，使自身科技技術(shù)不斷提升的背景下被提出的，而在美國(guó)一項(xiàng)教育評(píng)級(jí)及國(guó)家評(píng)估項(xiàng)目研究顯示，中小學(xué)測(cè)評(píng)結(jié)果優(yōu)良，在這樣的環(huán)境及市場(chǎng)壓力下，STEM的積極提出可進(jìn)行國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的不斷增強(qiáng)，可見，實(shí)施STEM教育是社會(huì)公認(rèn)為加強(qiáng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的關(guān)鍵性指標(biāo)。就目前現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)科技人資建設(shè)處于相對(duì)落后的狀態(tài)，科學(xué)及工程教育體系尚未完善健全，立足于高中教學(xué)視角下，除科學(xué)及數(shù)學(xué)教育發(fā)展局勢(shì)尚為可觀，但在工程及技術(shù)教育上，并無(wú)一席之地，這一點(diǎn)應(yīng)引起社會(huì)及教育領(lǐng)域高度重視。將STEM教育理念合理引進(jìn)高中物理教學(xué)，引進(jìn)中國(guó)教育，除提升物理成績(jī)外，亦對(duì)國(guó)家科技人才的培養(yǎng)發(fā)揮積極作用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光看，該理念可強(qiáng)化中國(guó)在全球中的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，而且這一理念會(huì)讓學(xué)生更深刻地了解STEM相關(guān)職業(yè)，從而產(chǎn)生興趣，培育更多的科技型人才。

三、 高中物理融合STEM教育的課堂模式

高中物理課堂中融合STEM教育，可以工程設(shè)計(jì)為主線，結(jié)合物理學(xué)科的科學(xué)探究思維設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)。讓學(xué)生采用各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題，更為重要的是讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目任務(wù)解決過(guò)程本身就是學(xué)習(xí)的過(guò)程。把學(xué)生拉回到真實(shí)的情境中，通過(guò)“科學(xué)探究”和“工程設(shè)計(jì)”等實(shí)踐活動(dòng)開展學(xué)習(xí)，運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)應(yīng)對(duì)和解決挑戰(zhàn)性任務(wù)，是STEM教育中比較適切的課程設(shè)計(jì)模式。高中物理關(guān)于長(zhǎng)度測(cè)量的工具游標(biāo)卡尺是一個(gè)重要的考點(diǎn)，其讀數(shù)問(wèn)題一直都是一個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)，重要原因就是學(xué)生對(duì)這一實(shí)用工具原理不清。改變教學(xué)模式，以《游標(biāo)卡尺的設(shè)計(jì)》作為項(xiàng)目任務(wù)，通過(guò)引入—探究—解釋—工程—深化—評(píng)價(jià)一系列的課堂環(huán)節(jié)，融合STEM教育，讓學(xué)生更好地掌握游標(biāo)卡尺原理。

（一）引入

在介紹項(xiàng)目之前，必須抓住學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的興趣點(diǎn)。在該環(huán)節(jié)中要讓學(xué)生對(duì)于項(xiàng)目目標(biāo)和范圍達(dá)成共識(shí)?？梢酝ㄟ^(guò)工程人員使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行工件測(cè)量加工的真實(shí)場(chǎng)景作為情境導(dǎo)入，聯(lián)系刻度尺讀數(shù)和精度問(wèn)題，提出項(xiàng)目目標(biāo)是“設(shè)計(jì)一把高精度尺子”。

（二）探究

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要明確問(wèn)題，分析需求，并基于已知的內(nèi)容，結(jié)合課堂討論進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，形成初步的設(shè)計(jì)方案。教師需要提供探究支架，組織有序的探究活動(dòng)。引導(dǎo)學(xué)生，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和討論，得到游標(biāo)卡尺的原理，在游標(biāo)尺刻度討論環(huán)節(jié)，可以通過(guò)一系列問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考。

（三）解釋

學(xué)生要整理討論后的結(jié)果，選擇最佳方案。通過(guò)思維導(dǎo)圖等方式向其他同學(xué)解釋項(xiàng)目方案選擇的依據(jù)、實(shí)施的策略、可能存在的問(wèn)題。這個(gè)環(huán)節(jié)教師可以進(jìn)行提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生更好地解釋探究的結(jié)果，并把這些結(jié)果向其他同學(xué)分享。

（四）工程

在該環(huán)節(jié)，學(xué)生需要把前期方案變現(xiàn)，需要在短時(shí)間完成項(xiàng)目原型的制作。課堂上可以提供硬紙片或者塑料薄片作為游標(biāo)卡尺結(jié)構(gòu)材料，提供尺子、剪刀、美工刀等工具。有條件的學(xué)?？梢圆捎眉す獾窨虣C(jī)等工具。學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手的過(guò)程中，去一步步驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。

（五）深化

該環(huán)節(jié)學(xué)生可以在原有項(xiàng)目原型基礎(chǔ)上，進(jìn)行反思。對(duì)工程環(huán)節(jié)的制作成果進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)行再思考，進(jìn)一步知識(shí)遷移。項(xiàng)目可以引導(dǎo)思考，如何制作更高精度的游標(biāo)卡尺，如何設(shè)計(jì)測(cè)量高精度的量角器。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步積極探究思考，把前面幾個(gè)環(huán)節(jié)所學(xué)的進(jìn)一步拓展和延伸。

（六）評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)是幫助學(xué)生和老師一起反思、總結(jié)。以過(guò)程性評(píng)價(jià)為主、總結(jié)性評(píng)價(jià)為輔，可以設(shè)計(jì)相關(guān)量表讓學(xué)生進(jìn)行自評(píng)和互評(píng)，評(píng)價(jià)的重點(diǎn)應(yīng)體現(xiàn)在學(xué)生知識(shí)技能目標(biāo)的達(dá)成情況，問(wèn)題的解決能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等方面。

再比如以“油膜法估測(cè)分子直徑”為例，分析并總結(jié)STEM教育滲透于高中物理教學(xué)的具體步驟。

（一）情景導(dǎo)入環(huán)節(jié)

向?qū)W生展示鏡下人體手部皮膚圖像，將其緩慢放大至10萬(wàn)倍，確保學(xué)生科觀察到清晰的細(xì)胞，借助一個(gè)細(xì)胞中包含大量分子這一客觀事實(shí)，將本次課題主題“分子大小的測(cè)定”合理引入，隨后拋出問(wèn)題誘餌：分子外觀極小，是否可利用實(shí)驗(yàn)室一般儀器進(jìn)行分子的測(cè)量呢？

設(shè)計(jì)目的：立足于常見情景下，向?qū)W生介紹微觀世界，順應(yīng)其認(rèn)知規(guī)律，且對(duì)其視覺(jué)有一定的刺激效果，有助于調(diào)動(dòng)其興趣。STEM重在強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐力及解決問(wèn)題能力的培育。對(duì)分子大小實(shí)施測(cè)量，利用現(xiàn)代化科技手段，好比離子顯微鏡，其能協(xié)助學(xué)生進(jìn)行物質(zhì)表面分子的有效觀察，加深學(xué)生對(duì)微觀世界的認(rèn)知，為宏觀及微觀世界的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)奠定基礎(chǔ)。

（二）模型構(gòu)建

帶領(lǐng)學(xué)生從宏觀角度出發(fā)，進(jìn)行微觀物理模型的建立，采取黃豆模擬找尋解決的方法，怎樣將黃豆直徑測(cè)量出來(lái)，經(jīng)學(xué)生實(shí)踐后提出多種方案。由教師對(duì)方案評(píng)價(jià)后進(jìn)行最佳方案的肯定。

設(shè)計(jì)目的：分子極小，用我們?nèi)庋凼强床坏降?，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)造分子模型，而采取黃豆測(cè)量法，無(wú)疑是給學(xué)生做好鋪墊，使其能根據(jù)真實(shí)的實(shí)物進(jìn)行判斷，從而開展模型搭建工作。

（三）引入學(xué)習(xí)目標(biāo)

油膜法原理在于借助油酸分子（C17H33COOH）于水面生成油膜層繼而對(duì)分子實(shí)施估測(cè)，其包括兩部分，前者C17H33不受水分子影響，后者對(duì)水有較好的親和力，通過(guò)酒精稀釋后可在水面形成油膜，呈圓形狀，而酒精易揮發(fā)的性質(zhì)使其在水面上生成純油酸薄膜，此時(shí)C17H33浮現(xiàn)出水面，而COOH留于水中，這時(shí)就會(huì)生成一個(gè)新型的油膜層，若要求油酸分子直徑，只需求油膜厚度就可以了。依據(jù)公式d=V/S，取一滴油酸且進(jìn)行其體積的測(cè)定，而后測(cè)定一滴油酸于此水平面生成油膜面積，就是此次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)所在?？梢姡敬螌?shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)為獲得1滴油酸，并對(duì)其體積實(shí)施測(cè)量，而后測(cè)定該滴油酸于水面上生成的油膜面積，最后將油膜厚度進(jìn)行計(jì)算，得出分子直徑大小。

四、 幾點(diǎn)策略

（一）STEM項(xiàng)目任務(wù)選擇的原則

由于高中階段課時(shí)安排緊，教學(xué)任務(wù)重，在融合STEM教育理念時(shí)，不宜選擇過(guò)大，所涉及內(nèi)容過(guò)廣的項(xiàng)目任務(wù)。任務(wù)內(nèi)容要緊緊圍繞高中物理課程知識(shí)體系開展，把課程中有意義、有價(jià)值的真實(shí)問(wèn)題、案例情境擴(kuò)展成項(xiàng)目活動(dòng)，通過(guò)項(xiàng)目任務(wù)學(xué)生解決了問(wèn)題，能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的建構(gòu)。

（二）賦能師生利用工具開展項(xiàng)目活動(dòng)

在教學(xué)中，可以利用工程中常用的工具輔助STEM項(xiàng)目開展。這類工具包含有arduino、3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)等硬件工具，也包含虛擬儀器、數(shù)據(jù)可視化，建模仿真軟件等軟件工具。在STEM項(xiàng)目開展過(guò)程中往往要準(zhǔn)備諸多的材料，如果利用激光雕刻機(jī)或者3D打印機(jī)可以自主設(shè)計(jì)制作。利用arduino可以快速搭建所需的控制電路。利用數(shù)據(jù)可視化工具，更好展示項(xiàng)目成果。利用建模仿真軟件，能讓學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)原理有更直觀的認(rèn)識(shí)。用好各類技術(shù)手段，更好地服務(wù)課堂教學(xué)。

（三）STEM項(xiàng)目的進(jìn)一步延伸

一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的完成，并不代表這個(gè)STEM項(xiàng)目的終結(jié)，還可以把課內(nèi)的學(xué)習(xí)進(jìn)一步延伸到課外。在課堂中善于發(fā)現(xiàn)有潛質(zhì)的學(xué)生，鼓勵(lì)他們?cè)谡n外對(duì)項(xiàng)目進(jìn)一步的深入優(yōu)化和思考。并在項(xiàng)目研究中給予學(xué)生更多支持，包括實(shí)驗(yàn)條件的創(chuàng)設(shè)、研究方法的指導(dǎo)、數(shù)據(jù)采集的手段、研究論文的撰寫。項(xiàng)目研究成果可以以參加各級(jí)青少年科技創(chuàng)新大賽的形式進(jìn)行交流和展示。

五、 總結(jié)

面對(duì)高中物理教學(xué)目前存在著諸多問(wèn)題，不少學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)感到吃力。需要積極更新教育理念、改變教學(xué)方式。融合STEM教育作為物理教學(xué)的有效形態(tài)，必將能夠更好地提升課堂教學(xué)效率，為高中生構(gòu)建科學(xué)、高效的高中物理課堂。

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