物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)STEM要素整合策略*

陳宗成 肖永琴

摘? ?要? ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)是用實(shí)證的手法來建構(gòu)物理意義。實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于較少地或不合理運(yùn)用STEM要素而難以完成高水平的物理認(rèn)知。通過科學(xué)地整合STEM各要素，即通過提煉突顯教學(xué)主旨（S）、強(qiáng)化建模（M）論證意義內(nèi)涵、巧妙設(shè)計(jì)（T）破除認(rèn)知盲區(qū)及合理控制培養(yǎng)工程意識(shí)（E），便能使STEM各要素形成有機(jī)整體，創(chuàng)設(shè)出富有挑戰(zhàn)性項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，真正揭示出事物間因果關(guān)系，發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)以“物”成“理”的實(shí)證價(jià)值。

關(guān)鍵詞? STEM要素整合? 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 整合策略

眾所周知，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在以“物”成“理”，即通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分論證，建構(gòu)物理概念規(guī)律。其本質(zhì)是通過建構(gòu)富有挑戰(zhàn)的任務(wù)，重新經(jīng)歷科學(xué)家的探究之旅，推動(dòng)個(gè)體深度學(xué)習(xí)的產(chǎn)生，進(jìn)而建構(gòu)出新的物理意義。實(shí)踐證明，STEM是一條行之有效的策略。通過合理地整合STEM各要素，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)便能成為“學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者和引導(dǎo)者”[1]，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。

很顯然，對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，概念規(guī)律意義的建構(gòu)（S）是教學(xué)的根本目的，始終處于核心的位置，需要加以提煉突顯;概念規(guī)律的建模過程（M）直接關(guān)系到物理意義（S）論證的成敗，是教學(xué)重點(diǎn)，必須夯實(shí)強(qiáng)化;技術(shù)（T）則提供必要的支持，通過巧妙的設(shè)計(jì)，能夠有效地突破教學(xué)的難點(diǎn);同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)又要求個(gè)體具備一定的工程意識(shí)，能充分考慮到工程要素（E），才能將實(shí)驗(yàn)放在節(jié)能環(huán)保的真實(shí)情境中，來進(jìn)行方案甄選和資源優(yōu)化配置，最終解決問題。下面以滬科版《滑輪》這一節(jié)進(jìn)行說明。

一、提煉主旨（S），形成明確教學(xué)指向

既然實(shí)驗(yàn)教學(xué)的宗旨是通過實(shí)驗(yàn)來建構(gòu)物理意義（S），教學(xué)宗旨提煉得越明確，STEM各要素才能統(tǒng)整得越有效。

1.提煉意義，突顯統(tǒng)一教學(xué)主旨（S）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以“物”成“理”。提煉出意義，才能得出一節(jié)課的“理”（物理意義），“物”才有了明確的教學(xué)指向，實(shí)驗(yàn)課有了明確的主旨，才會(huì)發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)證價(jià)值，不會(huì)淪為為實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)。

就“滑輪”這節(jié)課而言，必須提煉出來的主旨是：滑輪與滑輪組是特殊的機(jī)械。這主旨包含兩方面意義：表層意義：定滑輪不能省力但能改變方向，動(dòng)滑輪能省一半的力，但不能改變方向，滑輪組既能改變方向又能省力;深層意義：為什么定滑輪不能省力但能改變方向？為什么動(dòng)滑輪能省一半的力，但不能改變方向;為什么滑輪組能既改變方向又能省力？

2.整合要素，形成統(tǒng)一教學(xué)整體

提煉出教學(xué)主旨，教學(xué)就有了目的指向。STEM其余要素便有了一個(gè)凝聚的教學(xué)核心，有了一個(gè)明確串聯(lián)的教學(xué)主線，緊扣此核心與主線展開TEM要素整合，教學(xué)設(shè)計(jì)就不會(huì)偏離應(yīng)有的主旨，建模（M）就能推動(dòng)意義建構(gòu)，技術(shù)（T）就不會(huì)偏離主線，而這樣的工程素養(yǎng)才是在解決真實(shí)問題（本教學(xué)主旨）中自然培養(yǎng)的。一句話，TEM都圍繞著主旨（S）形成了統(tǒng)一的教學(xué)整體。

對(duì)于本節(jié)課，T、E、M等要素都要緊扣上面所提煉兩層含義展開整合。

那些由于分門別類建立起來的“高度分化”而“彼此孤立”的學(xué)科割裂便被有效破除了，這對(duì)跨學(xué)科間的“能力、知識(shí)技能、態(tài)度和價(jià)值觀”[2]的融合有推動(dòng)作用。同時(shí)也使得個(gè)體更加深刻地理解“滑輪是特殊的杠桿”，樹立起“機(jī)械的選擇必須與解決的問題密切相關(guān)”，讓實(shí)驗(yàn)和“真實(shí)世界”“有機(jī)”地聯(lián)系起來[3]。

二、強(qiáng)化建模（M），充分論證物理意義

強(qiáng)化建模，就是充分探究“物”與“理”之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，進(jìn)而確認(rèn)物理概念規(guī)律的內(nèi)涵外延，以實(shí)現(xiàn)因果邏輯關(guān)系的明確揭示和充分論證。

一般說來，通過實(shí)驗(yàn)來完成一個(gè)物理量的建構(gòu)，需要強(qiáng)化建模的過程，通過實(shí)驗(yàn)來觀察現(xiàn)象獲取足夠的數(shù)據(jù)。充足數(shù)據(jù)有三方面的重要性：一是便于尋找相同點(diǎn)，產(chǎn)生指向性的聯(lián)系，引導(dǎo)個(gè)體進(jìn)行歸納建模，以發(fā)現(xiàn)本質(zhì)內(nèi)涵;二是確認(rèn)條件，揭示規(guī)律成立條件，確定外延;三是降低偶然性，進(jìn)行普遍意義上的論證，完成內(nèi)涵的確證。

1.產(chǎn)生特定指向，歸納本質(zhì)內(nèi)涵

定滑輪不省力，但能改變方向。書本的處理方式是：提1個(gè)物體，沿不同的方向拉動(dòng)。但這樣不夠充分，因?yàn)檫€沒有涉及到被提物體的物重及滑輪本身的材質(zhì)。因此還可用以下的方法充實(shí)建模過程：沿某一方向方向拉動(dòng)，提升不同重力的物體。

對(duì)動(dòng)滑輪規(guī)律內(nèi)涵的建模，同樣可以如此處理，用動(dòng)滑輪提高不同的物體，以幫助個(gè)體找到共同點(diǎn)，產(chǎn)生特定的指向性，精確地揭示出其滿足的數(shù)學(xué)模型——T1=G1/2、T2=G2/2、T3=G3/2……即總有T=G/2關(guān)系。

這樣，充實(shí)了課本的建模過程，獲得了充足的數(shù)據(jù)。通過分析，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)如下的共同特點(diǎn)：無論沿什么方向拉動(dòng)，無論所提升物體的重力是多大，定滑輪可以改變方向，但不能省力（拉力T=G）;而動(dòng)滑輪則可以省一半的力。這就很好地產(chǎn)生特定的指向性，幫助個(gè)體歸納出物理規(guī)律。

2.揭示適用條件，界定確切外延

一般說來，物理概念規(guī)律都有其特定的適用范圍，都要滿足一定的前提條件。而一旦偏離了此前提條件，其物理意義規(guī)律都不再滿足。實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就是要通過實(shí)驗(yàn)來確定此前提條件，揭示其適用范圍，以確定其外延。對(duì)于動(dòng)滑輪“可省力一半”更是如此。

動(dòng)滑輪能省力一半，除了忽略繩子重力及系統(tǒng)的摩擦力外，還必須滿足兩個(gè)條件。一是必須滿足特定的連接方式：將重物掛在滑輪的軸上（如圖1），而提升的力作用在自由端上;二是必須滿足所提升的物重必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑輪自重。

在這里充分建模，就要沿此兩方面展開。①用兩種不同的方式組裝動(dòng)滑輪（圖1、圖2），讓個(gè)體體驗(yàn)到只有特定的連接方式動(dòng)滑輪（圖1）才能省力;②讓個(gè)體提不同重力的物體，讓個(gè)體發(fā)現(xiàn)只有滿足G物遠(yuǎn)大于G動(dòng)，才有T=G/2成立。這樣，通過對(duì)書本上建模的充實(shí)，精確地揭示了規(guī)律的前提條件，準(zhǔn)確地界定了外延，深刻地揭示了物理意義（S）。

3.發(fā)現(xiàn)必然聯(lián)系，論證普遍意義

進(jìn)行普遍性的論證，需要考慮到相關(guān)的各個(gè)方面。對(duì)于定滑輪，除了考慮到提升的方式、被提升的物體，很顯然還要考慮到定滑輪本身質(zhì)的要素，如材質(zhì)、質(zhì)量、制造工藝等。因此，還必須進(jìn)行如下充實(shí)：使用不同的材質(zhì)滑輪，沿不同的方向提升不同的物體。教師拿出各種材質(zhì)的定滑輪，讓個(gè)體探究，發(fā)現(xiàn)定滑輪提升物體，跟滑輪本身無關(guān)。

這樣結(jié)合上面的論證，個(gè)體會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用定滑輪提升物體跟提升的方式（沿什么方向用力）、被提升的物體（無論性質(zhì)狀態(tài)也無論輕重），也跟定滑輪（材質(zhì)等）無關(guān)，也就是說用“定滑輪”提升物體”與“可改變方向卻不能省力”有著必然的聯(lián)系，是具有普遍意義的。同樣，只要在其外延內(nèi)（即滿足前提條件），用“動(dòng)滑輪”提升物體與“T=G/2”有著必然的聯(lián)系，而跟被提升的物體及其滑輪的材質(zhì)無關(guān)，是具有普遍意義的。這樣，無論是定滑輪還是動(dòng)滑輪，其普遍意義就得到了充分論證。

三、妙用技術(shù)（T），精準(zhǔn)破除認(rèn)知盲區(qū)

物理概念規(guī)律往往比較抽象，建構(gòu)時(shí)需要較強(qiáng)的思維能力。有些概念規(guī)律特別抽象難以理解，以至于超過個(gè)體的認(rèn)知水平，加上定勢(shì)的影響，便容易形成認(rèn)知盲區(qū)，給教學(xué)帶來極大挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是要通過運(yùn)用技術(shù)，巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，幫助個(gè)體有針對(duì)性地破除認(rèn)知盲區(qū)。

在本節(jié)課中，個(gè)體最難理解就是為什么動(dòng)滑輪是種省力的杠桿，哪怕是獲得了充分的數(shù)據(jù)。突破此認(rèn)知障礙真正的困難在于學(xué)生無法清楚判定動(dòng)滑輪這種特殊杠桿的支點(diǎn)位于何處。這是一個(gè)極其不易為個(gè)體接受的認(rèn)知盲區(qū)。如何通過巧妙地設(shè)計(jì)針對(duì)性地破除此認(rèn)知盲區(qū)成為本節(jié)課成敗的關(guān)鍵。

1.妙用技術(shù)（T），精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

這個(gè)認(rèn)知盲區(qū)的形成是因?yàn)樵诨嗈D(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，個(gè)體難以看到瞬時(shí)不動(dòng)的那一點(diǎn)。因此，本節(jié)課的關(guān)鍵，就是通過一定的技術(shù)手段，讓個(gè)體明顯地“看到”不動(dòng)的這一點(diǎn)。于是，我們引進(jìn)了微元技術(shù)來設(shè)計(jì)裝置。即將圓形微分成多邊形，使它既突出了接觸的不動(dòng)的點(diǎn)，又保持了滑輪圓形的形狀（圖3）。

順著此思路，逐步減少多邊形的邊數(shù)，由多邊形逐步減少到六邊形、五邊形，直至正方形（圖4），顯然，每減小一條邊，與非自由端接觸的那一點(diǎn)就被突顯一次，而當(dāng)出現(xiàn)正方形的時(shí)候，提升物體時(shí)，個(gè)體的目標(biāo)必然鎖定在正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上，這個(gè)接觸點(diǎn)便完成暴露出來了！在這里我們妙用了微元技術(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置。

2.妙用裝置，逐步破除認(rèn)知盲區(qū)

有了這些裝置，任務(wù)就轉(zhuǎn)化為如何巧妙運(yùn)用這些裝置來突出支點(diǎn)的確定。在這里，先從正方形木板引入，遵循正方形→正五邊形→正六邊形→……正多邊形→圓形的順序運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)板，通過逆向微元法逐漸過渡到圓形，讓個(gè)體看到無論是多邊形還是圓形，只要用此種方式提升重物，其不動(dòng)點(diǎn)都是轉(zhuǎn)動(dòng)板與非自由端接觸的那一點(diǎn)，這樣就完全突破了動(dòng)滑輪的認(rèn)知盲區(qū)。

（1）正方形不動(dòng)點(diǎn)確定。如圖5甲用繩子、正方形木板吊起重物。拉動(dòng)繩子，引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)：正方形木板圍繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。教師要引導(dǎo)細(xì)致的觀察，在此過程中，除了頂點(diǎn)A點(diǎn)不動(dòng)外（可在對(duì)應(yīng)處做上記號(hào)），可以明顯看出被提重物、繩子自由端，整個(gè)正方形木板包括中心O點(diǎn)、頂點(diǎn)B、C、D等所有的部分全都被提高了！而這正是通過木板圍繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程實(shí)現(xiàn)的！——使木板上升的不動(dòng)點(diǎn)是頂點(diǎn)A而非中心O，A點(diǎn)才是木板轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)！

（2）正方形支點(diǎn)的確認(rèn)。繼續(xù)緩慢拉動(dòng)繩子，木板將繼續(xù)圍繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將物體向上提起。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，這是B點(diǎn)逐漸靠近并接觸繩子的過程。而當(dāng)B點(diǎn)接觸繩子后，拉動(dòng)繩子，便會(huì)以B為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)并將物體進(jìn)一步向上提高（圖5乙）;繼續(xù)拉動(dòng)，個(gè)體會(huì)發(fā)現(xiàn)方形木板是依次圍繞頂點(diǎn)C、D轉(zhuǎn)動(dòng)，直到回到A點(diǎn)時(shí)完成一個(gè)周期！在這一周期里，木板總圍繞著的正方形某一個(gè)頂點(diǎn)而非其中心轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)一步確定了木板上升時(shí)的支點(diǎn)位置。最后，通過反證法引導(dǎo)孩子發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正方形不是以其中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，木板只會(huì)在原處打轉(zhuǎn)，根本無法將物體向上提升——此時(shí)，木板成為一個(gè)定滑輪！這就從正反兩方面來證明了木板的支點(diǎn)位置。

（3）多邊形支點(diǎn)的確認(rèn)。沿著上面的思路，將正方形改為正五邊形、正六邊形……如圖6所示，容易發(fā)現(xiàn)，無論是什么多邊形，向上提升物體時(shí)其支點(diǎn)都是頂點(diǎn)非其中心。

（4）動(dòng)滑輪支點(diǎn)的確認(rèn)。當(dāng)多邊形有無數(shù)個(gè)邊，無數(shù)個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，多邊形就變成了圓形！木板成了動(dòng)滑輪！這樣，個(gè)體就自然而準(zhǔn)確地把握動(dòng)滑輪支點(diǎn)的位置，有效地突破思維定勢(shì)帶來的認(rèn)知盲區(qū)。

四、合理取材（E），有效建立工程意識(shí)

滑輪這節(jié)課還能很好地幫助孩子理解項(xiàng)目學(xué)習(xí)里的工程意識(shí)。一般說來，工程意識(shí)可立足于解決問題從工具制造與選擇、方案的選取與確定及成本的測(cè)算與控制等幾方面加以追問，而這些工程問題也涉及到STEM的核心理念。

1.工具使用，是基于問題解決的必需

解決問題，需要工具。需要什么工具，取決于要解決的問題。這意味著實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要引導(dǎo)兩種翻轉(zhuǎn)——即既會(huì)要引導(dǎo)從解決問題滿足什么原理到用什么原理來解決問題的一種翻轉(zhuǎn)，而且還要引導(dǎo)從典型實(shí)驗(yàn)情境到實(shí)際問題情境的一種項(xiàng)目翻轉(zhuǎn)。只有這樣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)才完成了“從生活到物理，從物理到社會(huì)”的基本理念。

（1）從解決問題滿足什么原理到用什么原理解決問題

追問1：提高物體，為什么要制造出滑輪？

追問2：滑輪為什么有兩種不同的連接方法？（實(shí)際上有三種）

這兩次追問完成了一次翻轉(zhuǎn)，即提問者不是追問解決問題的方案滿足什么原理，而是追問根據(jù)什么原理來解決問題，哪怕這原理是什么還無法明確——有時(shí)，項(xiàng)目學(xué)習(xí)就是在解決問題中建構(gòu)相關(guān)原理。但這種追問很難達(dá)到目的，因此要借助項(xiàng)目，通過解決問題來進(jìn)行追問。

（2）實(shí)驗(yàn)室典型情境到真實(shí)性問題情境

【項(xiàng)目】將1大桶水從1樓提到2樓

追問3：站在1樓如何把水提到2樓，用撬棒還是用滑輪？（用滑輪）

追問4：站在2樓，如何連接滑輪才能把水從1樓提到2樓？（連成動(dòng)滑輪：圖7）

為了解決具體問題，撬棒等不好用時(shí)，滑輪就應(yīng)運(yùn)而生;當(dāng)連成定滑輪不能解決問題時(shí)，就必須連成動(dòng)滑輪。這樣，推而廣之，個(gè)體就會(huì)清楚地明白，工具的使用是問題解決的必需，并非隨心所欲，當(dāng)原有的工具不能滿足要求時(shí)，新的工具就會(huì)被制造出來，而背后的深層含義則是物理的基本原理。

2.方案甄選，是基于問題解決的優(yōu)化

節(jié)能環(huán)保是人類社會(huì)發(fā)展的需要，培養(yǎng)工程意識(shí)，不僅要培養(yǎng)個(gè)體解決問題的意識(shí)，更要培養(yǎng)個(gè)體優(yōu)化解決問題的意識(shí)。因此，可以繼續(xù)追問：

追問5：為了更便利地把水從1樓提到2樓，還需要什么器材？（再取一個(gè)滑輪）

還需要一個(gè)滑輪，這是學(xué)生的第一反應(yīng)。這樣才能既省力，又方便。這說明孩子有了問題優(yōu)化解決的意識(shí)。但思路比較單一。教師可以繼續(xù)追問：

追問6：如果給你一個(gè)助手，你要站在哪一樓拉，效率最高？（力足者：站一樓拉如圖8，助手在二樓幫忙;力怯者，站在二樓拉如圖9，助手在一樓幫忙）

這追問，進(jìn)一步開拓了個(gè)體解決問題的思路，并要求個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化選擇。個(gè)體的思路由一而二，站在一樓滑輪組怎么接，站在二樓要怎么接;前者的好處是什么，短處是什么？后者的好處是什么？短處是什么？個(gè)體必須對(duì)方案進(jìn)行可行性和優(yōu)劣性的雙重評(píng)估，并選擇最適合本身的方案。如果是力氣較大的組，可能選擇站在1樓，因?yàn)檫@樣更便利（雖只省一半力，但改變方向）;如果是力氣不足的組，可能會(huì)選擇站在二樓，這樣可省更多的力（雖不能改變方向，但可省2/3力），才能確保把物體拉上去。

可以看出，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，只有通過合理的整合，在知識(shí)建構(gòu)中，個(gè)體的建模能力、技術(shù)水平和工程素養(yǎng)才能得到較全面的培養(yǎng)，才能更好地發(fā)揮S、M、T、E、這些學(xué)科要素獨(dú)立的價(jià)值[4]，進(jìn)一步促進(jìn)了各要素、各學(xué)科知識(shí)的連接與融合，才能真正把握STEM的本質(zhì)[5]。這樣，個(gè)體的視域才不會(huì)僅囿于單純知識(shí)的接受，而是進(jìn)入概念規(guī)律深度的建構(gòu)中，進(jìn)入到真實(shí)的問題情境中，去迎接種種問題的挑戰(zhàn)，才能把“體力、智力、情緒、倫理各方面的因素綜合起來”[6]。學(xué)習(xí)的過程，不僅是個(gè)體的知識(shí)跨界整合、知能素養(yǎng)合一的過程，也是個(gè)“從內(nèi)部把握生命的本質(zhì)和內(nèi)在的意識(shí)世界”[7]的過程。學(xué)科專業(yè)學(xué)習(xí)與個(gè)體的生活世界更親密無間地融合起來了，完成了從教學(xué)向教育的飛躍，個(gè)體也就成了“情意知融生”的“完整的人”。或許這就是stem的教育意蘊(yùn)所在[8]。

參考文獻(xiàn)

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【責(zé)任編輯? 孫曉雯】