STEAM理念下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與反思

摘? ?要

闡述STEAM理念及其發(fā)展，剖析傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的弊病，強(qiáng)調(diào)STEAM教育在物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中的必要性。經(jīng)過實(shí)踐研究，提出了基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)模式，通過用科學(xué)問題驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目、用傳感技術(shù)顯現(xiàn)思維、用工程制作加深理解、用藝術(shù)美感改進(jìn)模型、用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題、遷移應(yīng)用拓展提高等策略應(yīng)用，聚焦高階思維，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，從而提高核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞

STEAM理念? 物理實(shí)驗(yàn)課堂? 教學(xué)實(shí)踐

STEAM教育是由美國(guó)學(xué)者Yakman首次提出，目的是為了解決工程活動(dòng)的綜合問題[1]。它的5個(gè)字母分別代表5門學(xué)科，Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Art（藝術(shù)）、Mathematics（數(shù)學(xué)），但它不是這5門學(xué)科的簡(jiǎn)單疊加，而是通過打破各學(xué)科領(lǐng)域的邊界，進(jìn)行綜合而有效的融合，尋找一種問題解決式、探索發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)的課程模式，從而達(dá)到全方位提升學(xué)生的科技素養(yǎng)、人文素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)課堂用科學(xué)問題驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目學(xué)習(xí)、用傳感技術(shù)顯現(xiàn)思維、用工程制作培養(yǎng)能力、用藝術(shù)美感改進(jìn)工具、用數(shù)學(xué)知識(shí)解決疑難，把這些STEAM理念與物理實(shí)驗(yàn)課堂深度融合，從而促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，提高核心素養(yǎng)。

一、用科學(xué)問題驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目

STEAM理念下的教育最好基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)完成，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的最佳引入是基于真實(shí)生活化科學(xué)問題且以任務(wù)式驅(qū)動(dòng)引入。一方面使他們粗略地知道這節(jié)課將要完成的目標(biāo);另一方面，因?yàn)樯罨榫尘哂幸欢ǖ膹?fù)雜性和非良構(gòu)性，對(duì)學(xué)生來說具有一定的挑戰(zhàn)性，為了完成這一目標(biāo)或這一挑戰(zhàn)，會(huì)激發(fā)自己的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，會(huì)想方設(shè)法地思考應(yīng)對(duì)方法或策略，使思維從一開始就呈現(xiàn)發(fā)散式。同時(shí)，因?yàn)樯罨榫百N近學(xué)生生活，這樣的引入更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們喜學(xué)、樂學(xué)和愛學(xué)，也能化被動(dòng)為主動(dòng)，化低效為高效教學(xué)。

在上小孔成像實(shí)驗(yàn)[2]時(shí)，教師可以先把學(xué)生帶到學(xué)校的樹蔭下，帶領(lǐng)孩子們觀察樹蔭下的光斑，讓學(xué)生針對(duì)光斑提一些科學(xué)問題，學(xué)生通過觀察思考后，提出以下幾個(gè)值得探究的問題：光斑的形狀為什么不一樣，有的是圓形的，有的卻是方形的？光斑是怎么形成的？

以學(xué)生熟悉的生活化情境——樹蔭下的光斑任務(wù)驅(qū)動(dòng)引課，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，迅速抓住學(xué)生的眼球，同時(shí)通過觀察現(xiàn)象，讓學(xué)生提出一些有價(jià)值的科學(xué)探究問題，為整節(jié)課的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、用傳感技術(shù)顯現(xiàn)思維

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，技術(shù)支持在物理實(shí)驗(yàn)課堂上的應(yīng)用也越來越廣泛，特別是傳感技術(shù)給物理實(shí)驗(yàn)課堂帶來了革命性的改變，如用溫度傳感器動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)過程中溫度的動(dòng)態(tài)變化、用力學(xué)傳感器可以把定性實(shí)驗(yàn)化成定量實(shí)驗(yàn)，同時(shí)通過軟件，顯示力大小隨時(shí)間變化的曲線圖等，使原來難可視化、低見度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)高見度、可視化的思維過程。傳感器的應(yīng)用不但可以使結(jié)論更嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和嚴(yán)謹(jǐn)、求真、實(shí)證、理性的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

中學(xué)物理教學(xué)中，在探究晶體熔化過程中溫度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)，有一個(gè)突出的難點(diǎn)，就是在熔化過程中很難呈現(xiàn)隨著加熱時(shí)間的變化溫度卻保持不變的這一規(guī)律。此時(shí)如果加入溫度傳感器，問題就迎刃而解了，可以很明顯看到晶體在熔化過程中要吸收熱量但溫度是保持不變的這一規(guī)律。

三、用工程與藝術(shù)制作加深理解

STEAM教育的理念也重視工程的制作，這是STEAM教育與傳統(tǒng)物理課堂教學(xué)的本質(zhì)區(qū)別所在。特別是涉及到模型制作時(shí)，教師應(yīng)該大膽放手，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過小組合作來完成模型的制作，通過模型的制作，充分了解模型的結(jié)構(gòu)及各部分結(jié)構(gòu)所起的作用，同時(shí)通過模型的應(yīng)用，如自制溫度計(jì)對(duì)液體溫度的測(cè)量和比較，發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，并在解決問題的過程中不斷地改進(jìn)模型，一方面使得自制模型與實(shí)物更貼近、更完美，另一方面，使得學(xué)生在分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造過程中，聚焦高階思維，促進(jìn)他們深度學(xué)習(xí)，如對(duì)物理概念、物理規(guī)律及相應(yīng)的物理原理的深度理解，真正做到知其然更知其所以然。

經(jīng)過對(duì)溫度計(jì)模型的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)后，老師給每小組發(fā)放器材（大小不一的玻璃瓶，不同管徑的塑料管，蒸餾水、酒精、燒杯、滴管等），組裝成溫度計(jì)模型（有的玻璃瓶大，有的塑料管細(xì)，有的液體是酒精），把此裝置分別放入兩瓶溫度差不多的熱水中，以塑料管中液面的高低來判斷水溫度的高低。

通過自己組裝溫度計(jì)，知道溫度計(jì)的組成，也知道了溫度計(jì)的原理——液體的熱脹冷縮原理。同時(shí)，通過大小玻璃瓶的不同及塑料管徑的粗細(xì)不同，會(huì)導(dǎo)致溫度高低的無法比較及更讓他們有興趣想盡辦法進(jìn)行比較，這不但激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，也為模型的再次改進(jìn)埋下伏筆。

老師把同學(xué)們比較后的圖片呈現(xiàn)在屏幕上，然后讓學(xué)生觀察、對(duì)比和討論。通過對(duì)比，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)了幾個(gè)問題：第一，只用水作液體，液面位置顯示不明顯，應(yīng)該在水中加入紅墨水，這樣液面位置會(huì)更清晰。第二，玻璃瓶大小一樣但塑料管越細(xì)，液面上升越高，反之，塑料管管徑大小一樣時(shí)，玻璃瓶越大，液面上升越高，從中他們得出：玻璃瓶越大、塑料管徑越細(xì)，溫度計(jì)靈敏度越高。第三，通過同樣的玻璃瓶和同樣的管徑大小對(duì)比，發(fā)現(xiàn)玻璃瓶中水的多少也會(huì)影響液面的高低變化，即在裝液體時(shí)，液體一定要裝滿，不能留有空氣。第四，同樣的裝置，玻璃瓶?jī)?nèi)液體的不同，也會(huì)導(dǎo)致液面高低不同，他們發(fā)現(xiàn)：裝酒精的液面明顯比裝水的液面要高好多。

至此，他們得出了一個(gè)全新的改進(jìn)后溫度計(jì)模型：大玻璃瓶、細(xì)塑料管管徑、里面裝的是酒精且要裝滿整個(gè)玻璃瓶，在酒精中加一些紅墨水或食用色素（有紅、藍(lán)、綠、橙等色，這樣會(huì)更美觀）。同學(xué)們用改進(jìn)后的溫度計(jì)去對(duì)比原來的兩杯差不多溫度的熱水，發(fā)現(xiàn)：液面高低還是很明顯，同時(shí)他們也用實(shí)驗(yàn)證明了，他們前面得出的幾個(gè)改進(jìn)觀點(diǎn)是正確的。

通過分配不同的玻璃瓶和不同的塑料管及不同的液體，目的使他們發(fā)現(xiàn)更多的問題，通過多重對(duì)比，使他們改進(jìn)相應(yīng)的溫度計(jì)模型，使之結(jié)構(gòu)更嚴(yán)謹(jǐn)、示數(shù)更準(zhǔn)確，同時(shí)，通過對(duì)比，使他們知其然，更知其所以然。如酒精和水的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)酒精的膨脹系數(shù)比水高;玻璃瓶中的液體越多、塑料管管徑越細(xì)，溫度計(jì)越精確。通過這一定性的測(cè)量過程和比較過程，使他們更理解溫度計(jì)的原理和更充分理解體溫計(jì)為什么比普通溫度計(jì)精確的原因。

在同學(xué)們比較得出哪杯水溫度更高后，教師繼續(xù)追問：高的那杯水和低的那杯水溫度到底是多少℃？請(qǐng)同學(xué)們思考，如何利用自制的溫度計(jì)測(cè)出來。他們思考后認(rèn)為，要有兩個(gè)溫度值就可以把塑料管的刻度給標(biāo)上。此時(shí)，教師在PPT上溫馨提示：冰水混合物的溫度為0℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸水溫度為100℃。教師給學(xué)生需要的材料，如冰及相應(yīng)的沸水。同學(xué)們小組合作，把自制的溫度計(jì)放入冰水混合物時(shí)的液面標(biāo)為0℃，放在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸水中的液面標(biāo)為100℃，在0℃和100℃之間分成100等分（為了節(jié)省時(shí)間，只要求分10等分）。在塑料管上標(biāo)好溫度后，同學(xué)們用此溫度計(jì)測(cè)出了兩杯熱水的溫度（在此期間可以讓他們嘗試著玻璃瓶碰底、碰壁的操作，以此讓他們自主得出什么是錯(cuò)誤的操作）。教師繼續(xù)追問：你們的溫度計(jì)能否離開液體而讀數(shù)，如果不能，你有什么辦法能讓玻璃瓶離開被測(cè)物體且此時(shí)的液面不下降？思考后認(rèn)為：可以在塑料管下端弄一個(gè)彎折，只允許液面上升而不允許下降，教師適時(shí)呈現(xiàn)體溫計(jì)的縮口。

從定性上升到定量，使他們理解溫度計(jì)刻度的由來及制定的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，通過如何做到離開后液面不下降的設(shè)問，使他們真正理解體溫計(jì)的縮口制作及相應(yīng)的原理。通過自制溫度計(jì)測(cè)量出兩杯水的真實(shí)溫度，使他們收獲實(shí)驗(yàn)結(jié)論和勞動(dòng)成果的喜悅，使他們更喜歡物理，更喜歡研究物理。

四、用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題

STEAM理念下的教育還重視各學(xué)科間的深度融合，充分發(fā)揮各學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，利用各學(xué)科的優(yōu)勢(shì)來解決生活中所需要解決的問題。如物理教學(xué)中，往往會(huì)把數(shù)學(xué)、化學(xué)等各領(lǐng)域中的知識(shí)一起融合，利用各學(xué)科的交叉知識(shí)來解決某一生活問題。

教師在PPT上投影呈現(xiàn)出其中一組在塑料管上標(biāo)數(shù)字時(shí)，因粗心把0℃標(biāo)成了10℃的圖片。結(jié)果他們這組測(cè)出來的熱水溫度75℃，請(qǐng)問正確嗎？如果不正確，正確的應(yīng)該是多少呢？反之，如果正確的是50℃，此時(shí)，他們這支溫度計(jì)上的示數(shù)又會(huì)是多少呢？經(jīng)過一定的計(jì)算，讓部分學(xué)生上臺(tái)演示，利用數(shù)學(xué)方法解決物理問題。

抓住課堂生成，充分利用生成資源作為情境，一方面更具真實(shí)性和沖突性，另一方面也更具挑戰(zhàn)性，同時(shí)利用數(shù)學(xué)的比例問題來解決物理問題，充分體現(xiàn)了學(xué)科之間的深度融合，而讓學(xué)生去講解，突出了新課程中的學(xué)生的主體性這一理念。

五、通過遷移應(yīng)用達(dá)到拓展提高

STEAM理念的教育是要求學(xué)生通過知識(shí)的學(xué)習(xí)，能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決未知領(lǐng)域中的問題，這就是我們所說的遷移應(yīng)用，這也是深度學(xué)習(xí)最注重的一塊，通過STEAM理念下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要做到以不變應(yīng)萬變。

老師制作一個(gè)里面放了一定鐵塊的乒乓球，用來模仿沉船，要求同學(xué)們利用所學(xué)的浮力知識(shí)來打撈這個(gè)乒乓球沉船，經(jīng)過討論思考后，他們會(huì)想出很多種辦法，如：綁上浮桶，使船的排開水的體積增大;卸去船上多余的物品，使得重力小于浮力;利用公式ρ液gV排，改變?chǔ)岩?，使它的密度大于船的密?有人也提出改變g，討論后，認(rèn)為不行。

對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行遷移應(yīng)用，特別是把它放入陌生的情境之中，更能促使所學(xué)知識(shí)的深度應(yīng)用和遷移，充分理解其原理，從而真正促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，提高核心素養(yǎng)。

六、實(shí)踐反思

1.物理實(shí)驗(yàn)問題設(shè)計(jì)要循序漸進(jìn)、進(jìn)階上升

基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)課在設(shè)計(jì)問題時(shí)，也要符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，要從學(xué)生的興趣點(diǎn)出發(fā)，然后循序漸進(jìn)，進(jìn)階上升，如《溫度的測(cè)量》一課的設(shè)計(jì)可以從區(qū)分冷熱水開始，一開始用感覺器官，然后用測(cè)溫工具——自制溫度計(jì)，從定性到定量，再到拓展，這一系列問題的設(shè)計(jì)都是利用進(jìn)階原理，呈現(xiàn)一定的梯度，但又提供一定的支架，符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)理念。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)要課內(nèi)課外有效融合

雖說課堂是主陣地，但因物理教學(xué)大多數(shù)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，課堂上不一定能及時(shí)完成，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)最好是課內(nèi)與課外融合，對(duì)于課堂上不能完成的、時(shí)間過長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，最好到課后去完成。當(dāng)然也有一些前置實(shí)驗(yàn)，也可以在家庭中完成，在上課時(shí)，直接呈現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，這樣不但能讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)的原理，操作的細(xì)節(jié)，更能理解實(shí)驗(yàn)所承載的一些知識(shí)點(diǎn)，理解實(shí)驗(yàn)成功與失敗的本質(zhì)原因。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)要融入STEAM教學(xué)理念

在解決物理問題中，充分考慮學(xué)科的融合，如數(shù)學(xué)比例的融合計(jì)算，使學(xué)生明白，真正解決問題要用多學(xué)科融合的知識(shí)來解決，所以在設(shè)計(jì)模型教學(xué)時(shí)，最好融入STEAM理念進(jìn)行教學(xué)，用STEAM教育的項(xiàng)目化內(nèi)容為物理教學(xué)的生活化、情景化、主題化、綜合化提供素材。STEAM教育中學(xué)生活動(dòng)的自主性、探究性、互動(dòng)性為物理教學(xué)方式的轉(zhuǎn)型提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘秉洪.融合STEAM教育理念的高中物理邏輯電路教學(xué)探略[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（09）：6-7.

[2] 黃建林.指向深度學(xué)習(xí)的“高見度”實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].教學(xué)與管理，2020（06）：70-72.

【責(zé)任編輯? 孫曉雯】