中學(xué)物理驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式
——以“測量物質(zhì)的密度”教學(xué)為例

劉健智 劉新武 馬瑛瑛，2

(1. 湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081; 2. 廣東省三水華僑中學(xué),廣東 佛山 528100)

隨著智能制造時(shí)代的到來,世界各國都非常重視復(fù)合型、技能型與創(chuàng)新型人才的培養(yǎng),因此STEM專業(yè)人才的培養(yǎng)應(yīng)運(yùn)而生．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．我國也重視STEM教育,如教育部出臺的官方文件:《基礎(chǔ)教育改革與發(fā)展的決定》明確“加強(qiáng)初中分科課程與綜合課程相結(jié)合的改革”;《教育信息化“十三五”規(guī)劃》鼓勵(lì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)并在其中應(yīng)用信息技術(shù)即進(jìn)行STEM教育,全國各地也積極響應(yīng)并正在進(jìn)行STEM教育模式的探索,出現(xiàn)了很多成功的案例．[1]

1 物理教學(xué)融入STEM教育:合適路徑

當(dāng)前,STEM教育的具體實(shí)施有3種課程路徑:一是獨(dú)立的選修課程;二是一門綜合課程;三是基于某一學(xué)科的教學(xué)方式、教學(xué)模式或策略．[2]筆者認(rèn)為,第一種路徑增加了學(xué)生的負(fù)擔(dān)且受益的學(xué)生受到限制;第二種路徑在中學(xué)實(shí)施難度較大,只適合于小學(xué)階段;第三種路徑克服了前兩者的問題,教師可以靈活地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),將STEM教育融入學(xué)科教學(xué)之中．[1]筆者前期研究也表明,最合適的融入STEM教育的學(xué)科是中學(xué)物理,其可行性表現(xiàn)在: ① STEM教育與物理教學(xué)聯(lián)系緊密; ② 物理實(shí)驗(yàn)已體現(xiàn)了科—工整合思想; ③ 大量教學(xué)內(nèi)容可滲透STEM教育理念,同時(shí)我們探討了3條中學(xué)物理教學(xué)中的具體實(shí)施融合的路徑．[3]物理課程的目標(biāo)就是注重學(xué)生能力的培養(yǎng),以提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),促進(jìn)其核心素養(yǎng)的養(yǎng)成為己任,以“注意學(xué)科滲透,關(guān)心科技發(fā)展”為課程理念．[4]實(shí)際上,當(dāng)初美國教育工作者提出STEM教育的目的就是要讓學(xué)生的理工素養(yǎng)得到提升．

因此,運(yùn)用STEM教育理念組織物理教學(xué),創(chuàng)新物理教學(xué)模式,值得我們嘗試與實(shí)踐．

2 物理教學(xué)融入STEM教育:教學(xué)模式

將STEM教育滲透到中學(xué)物理教學(xué)中,該采取怎樣的教學(xué)模式,如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),筆者贊同謝麗、李春密的觀點(diǎn):在物理教學(xué)中,由于要達(dá)到S、T、E、M 4門學(xué)科高度融合實(shí)屬不易,現(xiàn)實(shí)操作性不太強(qiáng),教師可以根據(jù)所選取的課題有針對性地融合2至3門學(xué)科,這樣也可防止STEM教育的形式化．[5]傅騫把STEM教育應(yīng)用模式分成驗(yàn)證、探究、制造、創(chuàng)造4大類．[6]筆者認(rèn)為,這正是物理教學(xué)融入STEM教育的4個(gè)階段——從“驗(yàn)證”的初級階段,到“探究”的過渡階段,再到“制造”的高級階段,最終到“創(chuàng)造”的終極階段——逐步將學(xué)生從“技能型”培養(yǎng)成“創(chuàng)造型”人才．

上述的培養(yǎng)STEM人才的4個(gè)階段,符合循序漸進(jìn)的原則．創(chuàng)造力的培養(yǎng),作為STEM教育的最終目標(biāo),不是一蹴而就的．我們要研究什么教學(xué)時(shí)段、哪些教學(xué)內(nèi)容可以開展驗(yàn)證型、探究型、制造型、創(chuàng)造型STEM教學(xué),并構(gòu)建每個(gè)階段的教學(xué)模式．通常在初學(xué)物理時(shí)開展驗(yàn)證型STEM教學(xué)．本文構(gòu)建了中學(xué)物理教學(xué)中的“驗(yàn)證型”STEM教學(xué)模式,并以初中物理“測量物質(zhì)的密度”進(jìn)行案例說明．至于其他3種STEM教學(xué)模式,后續(xù)進(jìn)行研究．

3 物理驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式的構(gòu)建

STEM教育與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合就構(gòu)成了驗(yàn)證型STEM教學(xué)．傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是對諸如物理定理、規(guī)律和定律等結(jié)論的證明.這些結(jié)論大家普遍公認(rèn),實(shí)踐檢驗(yàn)其是真實(shí)的,一般不可被推翻．[7]而驗(yàn)證型STEM教學(xué),除了驗(yàn)證已知結(jié)論外,還可能要對某種現(xiàn)象或猜想進(jìn)行驗(yàn)證,從而發(fā)現(xiàn)自己的假設(shè)或者認(rèn)識是否正確,如果不正確,就提出新的假設(shè)并再一次進(jìn)行驗(yàn)證．

3.1 教學(xué)目標(biāo)

(1) 培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)好奇心.

提高初中生的STEM興趣是開展STEM教學(xué)的首要條件,特別是對剛接觸物理的初中生來說更為重要．驗(yàn)證型STEM教學(xué)通過學(xué)生親自實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證某種假設(shè),能夠提升其好奇心,有了好奇心才能發(fā)現(xiàn)生活中的現(xiàn)象并提出有質(zhì)量的科學(xué)問題,才會積極參入STEM課堂．例如,有好奇心的學(xué)生會觀察到經(jīng)過頭發(fā)摩擦的氣球能粘在墻上,然后提出問題:多次與頭發(fā)摩擦的氣球是否更易粘在墻上?影響氣球粘在墻上的難易程度與頭發(fā)的哪些因素有關(guān)?等等．

(2) 訓(xùn)練學(xué)生的跨學(xué)科思維.

例如,在上述氣球粘附在墻上的問題中,學(xué)生可能會預(yù)測有一個(gè)結(jié)果:黏附時(shí)間隨摩擦次數(shù)的增多而增長,進(jìn)而進(jìn)行對這個(gè)觀測結(jié)果的驗(yàn)證活動(dòng)．這個(gè)實(shí)踐活動(dòng)就是驗(yàn)證型STEM教學(xué)活動(dòng),它的教學(xué)意義表現(xiàn)在:首先,學(xué)生認(rèn)識到猜想的正確性需要有科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù),進(jìn)而科學(xué)認(rèn)知思維得到了訓(xùn)練;其次,學(xué)生們會發(fā)現(xiàn)解決問題還需要借助一些技術(shù),如VR虛擬技術(shù)、平面繪圖、3D打印等;要分析和計(jì)算需要數(shù)學(xué)知識;有時(shí)還需要機(jī)械構(gòu)造、材料加工、電氣工程等知識,這樣就幫助學(xué)生建立了跨學(xué)科的思維．

3.2 基本要素

基于上述教學(xué)目標(biāo),筆者構(gòu)建的驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式包括提出問題、提出假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)(包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn))、分析論證、總結(jié)交流等5個(gè)基本要素．

(1) 提出問題.

問題盡量由學(xué)生提出．但對于初中生來說,一般由教師提出,問題要:聯(lián)系生活實(shí)際;緊扣物理教材;難易程度適當(dāng);符合認(rèn)知特點(diǎn)．

(2) 提出假設(shè).

假設(shè)要讓學(xué)生在自己的認(rèn)知基礎(chǔ)上合理地提出．如果學(xué)生遇到困難,教師可以積極引導(dǎo),不能直接告知學(xué)生．

(3) 驗(yàn)證假設(shè).

驗(yàn)證假設(shè)可細(xì)分為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．首先要學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案,包括:準(zhǔn)備所需的物品或設(shè)備;畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖或擬出證明思路;構(gòu)思實(shí)驗(yàn)步驟或技術(shù)路線;設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的表格等．然后,分小組對方案進(jìn)行評估,包括:是否可行;成本高低;安全與否;意義大小等．

(4) 分析論證.

對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．為了便于觀察,利用電腦軟件如微軟Excel制作圖表,使數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)更直觀．在制作圖形中,一般需要對直線或曲線進(jìn)行擬合,學(xué)生也熟悉了電腦技術(shù);也鞏固了如何計(jì)算平均值、有效數(shù)字、科學(xué)計(jì)數(shù)法等數(shù)學(xué)知識．最后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與假設(shè)之間的關(guān)系:完全支持、部分支持、徹底否定你原來的假設(shè)?

(5) 總結(jié)交流.

對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全支持假設(shè)的實(shí)驗(yàn),教師引導(dǎo)學(xué)生反思“新學(xué)到哪些知識”“操作的注意事項(xiàng)”等,然后撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告．對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果未能完全支持假設(shè)的實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生對全過程進(jìn)行反思后,重新對方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn),直到解決問題．當(dāng)然,也可以反思“假設(shè)”是否存在問題或錯(cuò)誤．

以上能叫要素,不能叫環(huán)節(jié),因?yàn)閷?shí)際上的驗(yàn)證型STEM教學(xué)活動(dòng)不一定完全按照上述程序進(jìn)行,可以少于或者多于上述要素,要素間的程序也可以變化或者交替使用．如果機(jī)械呆板地照搬上述操作程序,除了可能無法完成實(shí)踐活動(dòng)，最關(guān)鍵的是固化了學(xué)生的思維從而限制學(xué)生的創(chuàng)造性,這恰好與STEM教育的宗旨背道而馳．

4 教學(xué)案例設(shè)計(jì):測量物質(zhì)的密度

4.1 設(shè)計(jì)意圖

充分體現(xiàn)驗(yàn)證性活動(dòng)與STEM教育的整合．

驗(yàn)證性.兩個(gè)活動(dòng): (1) 檢測小吃攤使用的油的健康與否; (2) 鑒別石頭的種類．活動(dòng)內(nèi)容貼近生活,學(xué)生感興趣,讓學(xué)生通過活動(dòng)掌握測量物質(zhì)密度的物理方法．

STEM:該案例側(cè)重?cái)?shù)學(xué)與科學(xué)的融合,包括密度的概念,長度的測量,單位的換算,密度的計(jì)算等．

該案例的科學(xué)方法是運(yùn)用密度知識對油的種類進(jìn)行鑒別,判斷是否是地溝油．教師首先播放鑒別地溝油的微視頻,在了解一些先進(jìn)且快速的諸如色譜檢測、質(zhì)譜檢測、測量電導(dǎo)率等鑒別技術(shù)之后,學(xué)生的科技視野得到拓展,體現(xiàn)了技術(shù)與科學(xué)融合的STEM教育的主要特點(diǎn)．

4.2 教學(xué)分析

(1) 教學(xué)內(nèi)容分析．在教學(xué)安排上,該活動(dòng)案例承上啟下:在上一節(jié)學(xué)習(xí)了密度后繼續(xù)學(xué)習(xí)物質(zhì)密度的測量,為下一節(jié)“密度與社會生活的聯(lián)系”作好鋪墊．基于教材,不依賴于教材,通過與生活聯(lián)系緊密的知識內(nèi)容的重構(gòu),選擇驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式,符合八年級學(xué)生的認(rèn)知水平,降低了學(xué)習(xí)難度,培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、動(dòng)手和問題解決的能力,訓(xùn)練了跨學(xué)科思維能力．

(2) 學(xué)習(xí)者分析．8年級剛學(xué)習(xí)物理的學(xué)生,通常感覺物理知識很抽象,而且要用到數(shù)學(xué)工具,同時(shí)還要通過實(shí)驗(yàn)證明物理結(jié)論,因此學(xué)習(xí)起來有一定的難度．但學(xué)生已經(jīng)學(xué)過了質(zhì)量、密度等概念,因而為本案例STEM教學(xué)活動(dòng)的開展夯實(shí)了物理知識基礎(chǔ)．

4.3 設(shè)計(jì)思路

教師創(chuàng)造條件,學(xué)生主動(dòng)參與驗(yàn)證型STEM活動(dòng)．小組成員間交流合作、動(dòng)手實(shí)驗(yàn),鑒別地溝油和礦石的類別,完成教學(xué)目標(biāo)．驗(yàn)證活動(dòng)中涉及到的STEM的學(xué)習(xí)內(nèi)容如表1所示．

表1 “測量物質(zhì)的密度”涉及的STEM內(nèi)容

4.4 活動(dòng)設(shè)計(jì)1:測量樣品油的密度

4.4.1 設(shè)計(jì)意圖,教學(xué)目標(biāo)

學(xué)會發(fā)現(xiàn)和提出問題、選擇有趣的驗(yàn)證性課題;會設(shè)計(jì)解決問題的方案;通過活動(dòng)掌握液體密度的測量方法;培養(yǎng)運(yùn)用相關(guān)的物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)知識和技術(shù)手段解決實(shí)際問題的能力．

4.4.2 創(chuàng)設(shè)情境,激趣引題

教師播放“地溝油新聞”的微視頻,內(nèi)容包括: ① 從路邊小吃攤,到大排檔,甚至到高級餐館,地溝油被不良商家用于各種食物的制造; ② 地溝油的提煉方法及其原材料; ③ 地溝油的危害．

4.4.3 開展活動(dòng),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

(1) 提出問題:學(xué)?；蚣彝ジ浇牟惋嫷晔褂玫挠蜁堑販嫌蛦?

(2) 提出假設(shè):是．

(3) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)．小組成員討論,設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案．

合作交流:地溝油與色拉油在氣味和顏色上的差異不明顯,因此肉眼無法辨別,但可以利用上節(jié)課學(xué)習(xí)到的密度知識,嘗試測量樣品油的密度．

器材準(zhǔn)備:樣品油,燒杯,量筒,天平．

實(shí)驗(yàn)步驟: ① 設(shè)計(jì)出表格(表2); ② 測出數(shù)據(jù); ③ 將數(shù)據(jù)填入表格; ④ 計(jì)算樣品油的密度．

表2 樣品油的密度的測量數(shù)據(jù)

教師提問:如何使用量筒?

教師啟發(fā):量筒的： ① 單位標(biāo)度?② 分度值?③ 量程?④ 正確讀數(shù)方法?

觀察交流:讀數(shù)時(shí),不同的視線位置測出的油的體積的數(shù)據(jù)有稍許的差別．

教師總結(jié):使用量筒要“一看二放三讀”:先看分度值和量程;再放在水平臺桌上;視線平視液面讀數(shù)．

(4) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

查閱資料:利用互聯(lián)網(wǎng)或圖書資料查得:地溝油密度為0.94 g/cm3～0.96 g/cm3;色拉油密度為0.90 g/cm3～0.93 g/cm3．

學(xué)生操作實(shí)驗(yàn),收集數(shù)據(jù)．教師巡視啟發(fā),指導(dǎo)幫助,重點(diǎn)放在量筒和天平的規(guī)范使用上．

(5) 分析論證．各小組把數(shù)據(jù)填進(jìn)表格,計(jì)算密度;將結(jié)果與查得的密度值對比,驗(yàn)證假設(shè):樣品油是否是地溝油．

(6) 總結(jié)交流．教師總結(jié)活動(dòng)過程,糾正學(xué)生的不規(guī)范操作,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;提醒學(xué)生清洗量筒和燒杯,培養(yǎng)安全意識．學(xué)生反思自己的實(shí)驗(yàn)操作,糾正一些不當(dāng)?shù)淖龇ǎ?/p>

4.5 活動(dòng)設(shè)計(jì)2:測量一礦石的密度

4.5.1 設(shè)計(jì)意圖,教學(xué)目標(biāo)

學(xué)會發(fā)現(xiàn)和提出問題、選擇有趣的驗(yàn)證性課題;會設(shè)計(jì)解決問題的方案;通過活動(dòng)掌握固體密度的測量方法;培養(yǎng)綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識和技術(shù)手段解決實(shí)際問題的能力．

4.5.2 創(chuàng)設(shè)情境,激趣引題

圖1 礦石

教師展示在路邊拾到的一塊“石頭”(圖1),讓同學(xué)們幫助其鑒別這是哪種礦石．

4.5.3 開展活動(dòng),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

(1) 提出問題:礦石的種類如何鑒別．

(2) 提出猜想:石灰?guī)r?鐵礦?銅礦?等等．

(3) 設(shè)計(jì)方案.

合作交流:測量其密度,再與一些礦石的密度對比,礦石的種類就鑒別出來了．

提出問題:如何測量體積?

小組合作:采集小組實(shí)驗(yàn)所需的樣品．

方案1:首先要得到形狀規(guī)則的礦石,如長方體,這時(shí)要用到手持式切割機(jī);然后用直尺測量出樣本的長寬高,最后算出體積．

方案2:用錘子敲出樣品,再利用量筒測量其體積．具體方案: ① 記下量筒中水的原來的體積V1; ② 用細(xì)線系好樣品,將其完全浸沒或沉入水中,但不要溢出,記下此時(shí)量筒的讀數(shù)V2; ③ 計(jì)算樣品的體積V=V2-V1．

(4) 評估方案.

方案1中規(guī)則的樣品很難得到．方案2更適合實(shí)際情況,應(yīng)用范圍更廣．

改良方案2:用錘子容易損壞礦石,因此還是用切割機(jī)獲得樣品,不必樣本形狀規(guī)則．

通過方案2的實(shí)踐,我們學(xué)會了形狀不規(guī)則固體的體積的測量方法,這種方法叫排水法．排水法在以后的學(xué)習(xí)或生活中還會經(jīng)常用到．

(5) 實(shí)施方案.

查閱資料:學(xué)生設(shè)法查出一些礦石的密度,按照數(shù)據(jù)的一定順序制作出表3．

表3 常見礦石的密度值(從小到大排列)

學(xué)生分組操作,收集數(shù)據(jù)．教師巡視啟發(fā),適時(shí)幫助,重點(diǎn)指導(dǎo)學(xué)生使用切割機(jī),提醒學(xué)生注意安全．

(6) 分析論證．完成表格4,計(jì)算出礦石樣品的密度,驗(yàn)證自己的猜測是否正確．

表4 礦石樣品密度的測量數(shù)據(jù)

(7) 總結(jié)交流．小組之間交流后,發(fā)現(xiàn)改良后的方案二更簡便、更迅速,并總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)．

5 對驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式的反思

物理驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式下的課堂是否高效?

所謂高效課堂,是指在相同的教學(xué)時(shí)量內(nèi),學(xué)生能夠落實(shí)更多的教學(xué)目標(biāo)．新課程下,特別是STEM教育理念下的物理課堂,不僅僅要讓學(xué)生建構(gòu)起物理觀念,更要讓學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理學(xué)科核心素養(yǎng)得到提升,同時(shí)還要培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科知識的融合和技術(shù)手段的應(yīng)用能力,提升學(xué)生解決問題的能力,為學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)．

以“測量物質(zhì)的密度”的驗(yàn)證型STEM教學(xué)為例,雖然比傳統(tǒng)的一個(gè)課時(shí)增加了一個(gè)課時(shí),但根據(jù)上述高效課堂的界定,它卻是高效的,因?yàn)樗鋵?shí)的教學(xué)目標(biāo)比傳統(tǒng)的教學(xué)多出了很多,簡單地說,表現(xiàn)在:問題具有生活情境,解決好問題具有挑戰(zhàn)性;學(xué)生覺得物理有用,成就感和自我效能感得到增強(qiáng);解決實(shí)際問題的能力得到培養(yǎng),發(fā)散性思維能力得到訓(xùn)練,多學(xué)科知識的融合意識和能力得到增強(qiáng);學(xué)會了生活中經(jīng)常用到的切割機(jī)的使用,培養(yǎng)了動(dòng)手能力,提升了安全意識;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證活動(dòng)中,訓(xùn)練了學(xué)生的問題、證據(jù)、解釋、交流等與科學(xué)探究有關(guān)的能力．以上這些教學(xué)內(nèi)容,都體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)得到了落實(shí)．

因此,中學(xué)物理驗(yàn)證型STEM教學(xué)模式下的課堂是高效課堂．