基于STEM教育理念培養(yǎng)高中生科學(xué)探究素養(yǎng)

肖 化 ，郭曉敏 ，曾 輝 ，區(qū)楚瑜

1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

2.廈門(mén)市檳榔中學(xué)，福建 廈門(mén) 361000

3.韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣東 潮州521000

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)高中生未來(lái)發(fā)展所需的學(xué)科核心素養(yǎng)，具體包含物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[1]。但目前我國(guó)高中物理教學(xué)的問(wèn)題在于受長(zhǎng)期分科教育的影響，學(xué)生更習(xí)慣用學(xué)科的思維看待問(wèn)題，不利于其學(xué)習(xí)興趣和綜合能力的發(fā)展[2]。不僅如此，傳統(tǒng)的物理教學(xué)注重知識(shí)的傳授，忽視了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手探究的能力，從而使其無(wú)法深入理解知識(shí)的本質(zhì)及知識(shí)在社會(huì)生活中的具體應(yīng)用[3]。STEM是科學(xué) （Science）、技術(shù)（Technology）、工 程 （Engineering）、數(shù) 學(xué) （Mathematics）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種跨學(xué)科融合教育，著重培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力和工程設(shè)計(jì)思維。當(dāng)前，把STEM教育的理念正確融入實(shí)際學(xué)科教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和問(wèn)題解決能力，已經(jīng)成為新時(shí)代基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的熱點(diǎn)話(huà)題[4]。本文嘗試將STEM教育融入高中物理教學(xué)中，為探索如何培養(yǎng)高中生的科學(xué)探究能力提供一條有效途徑。

2 構(gòu)建基于STEM教育的高中物理教學(xué)模式

本文將STEM教育與高中物理教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建基于STEM教育的高中物理教學(xué)模式，力爭(zhēng)構(gòu)建“不僅能讓學(xué)生全面理解所學(xué)習(xí)的物理知識(shí)，還能讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中體會(huì)學(xué)有所用”的課堂，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在課堂中的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移的能力和解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力。具體教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 基于STEM教育的高中物理教學(xué)模式

本教學(xué)模式的教學(xué)過(guò)程主要有4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖、所培養(yǎng)的科學(xué)探究素養(yǎng)及STEM教育的依據(jù)如表1所示。

表1 各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖及培養(yǎng)的科學(xué)探究素養(yǎng)

3 基于STEM教育的高中物理教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用

3.1 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

3.1.1 課前準(zhǔn)備

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)《力的分解》這一節(jié)的要求是“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解力的分解，知道矢量和標(biāo)量”[1]。這一節(jié)內(nèi)容通過(guò)一個(gè)課時(shí)完成，上承接重力、彈力、摩擦力三個(gè)核心概念，是力的合成的逆運(yùn)算；下開(kāi)啟共點(diǎn)力的平衡條件等知識(shí)，為學(xué)習(xí)共點(diǎn)力平衡這一重要知識(shí)點(diǎn)打下基礎(chǔ)，在物理力學(xué)體系中占有重要的地位。在本節(jié)課中，應(yīng)創(chuàng)設(shè)大量與實(shí)際貼合的情境，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，以實(shí)際情境所呈現(xiàn)的工程任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究[3]，解決問(wèn)題，最終通過(guò)《力的分解》的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)和工程思維，進(jìn)一步提升學(xué)生問(wèn)題解決的能力。

【確定教學(xué)目標(biāo)】

根據(jù)課標(biāo)要求及上述分析，確定本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)如表2所示。

表2 《力的分解》一節(jié)的物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)與STEM教育目標(biāo)

【教學(xué)環(huán)境準(zhǔn)備】

多媒體、彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、硬紙板、鐵架臺(tái)、鉛筆、鐵絲、細(xì)線等。

3.1.2 教學(xué)過(guò)程

【創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題情境】

用多媒體課件向?qū)W生展示港珠澳大橋的有關(guān)圖片。教師讓學(xué)生注意觀察港珠澳大橋的索塔很高，大約為163米。教師向?qū)W生提出問(wèn)題：“為什么索塔要建這么高？如果讓同學(xué)們當(dāng)一回工程師，你在設(shè)計(jì)這樣的跨海大橋的時(shí)候?qū)?huì)考慮哪些因素？請(qǐng)大家針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行討論”。教師拋出復(fù)雜的問(wèn)題情境后，引導(dǎo)學(xué)生將問(wèn)題分解成一個(gè)個(gè)子問(wèn)題，按照問(wèn)題的邏輯順序?qū)?wèn)題進(jìn)行排序，以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力，如表3所示。

fengyukai＠vip.qq.com；通信作者，王華森，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事蔬菜生理與分子生物學(xué)研究，（電子信箱）whsych66＠163.com。

表3 分解后的子問(wèn)題

STEM設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)STEM教育的情境性。通過(guò)富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題情境能迅速激起學(xué)生的探究欲望。一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題情境需要對(duì)其進(jìn)行多方面的剖析和分解，突出物理學(xué)習(xí)的主題，這一過(guò)程需要教師一步步的引導(dǎo)。并且，從表3可知，要解決制作斜拉橋模型的工程問(wèn)題，學(xué)生需要學(xué)習(xí)力的分解這一知識(shí)點(diǎn)，在探究中還需運(yùn)用已學(xué)過(guò)的平行四邊形定則、力的合成、重力等有關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)本章知識(shí)的大綜合。學(xué)生在解決本工程問(wèn)題的過(guò)程中，進(jìn)行了數(shù)學(xué)運(yùn)算，以及技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了STEM教育理念的融入。

培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)的設(shè)計(jì)理念：復(fù)雜的問(wèn)題情境使學(xué)生往往不知道從何下手，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜的問(wèn)題分解成一個(gè)個(gè)子問(wèn)題，讓學(xué)生提出并表述需要探究的物理問(wèn)題，提升學(xué)生提出問(wèn)題的能力。

【以工程問(wèn)題為主線，進(jìn)行科學(xué)探究】

（1）提出問(wèn)題

教師引導(dǎo)：“請(qǐng)同學(xué)們觀察，索塔高度與斜拉索兩邊繩子的張角有何關(guān)系？現(xiàn)在定義繩子與豎直方向的夾角為θ”。學(xué)生們通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)索塔越高，兩邊繩子的張角越小，于是進(jìn)一步提出問(wèn)題：繩子和豎直方向的夾角θ與繩子的張力存在什么關(guān)系？

（2）收集證據(jù)

引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用力的合成和平行四邊形定則的知識(shí)畫(huà)出草圖，發(fā)現(xiàn)繩子和豎直方向的夾角θ與繩子拉力的大小存在一定關(guān)系，猜想：當(dāng)繩子和豎直方向的夾角θ越大時(shí)，兩邊繩子的拉力越大。

隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生探究繩子和豎直方向的夾角θ與繩子的拉力的關(guān)系，驗(yàn)證猜想是否正確。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，將兩根繩子各自與豎直方向的夾角近似看成是相等的。讓學(xué)生利用桌面上的兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)、鉤碼進(jìn)行探究，當(dāng)改變兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的夾角時(shí)，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)如何變化，具體裝置如圖2所示。

圖2 探究繩子和豎直方向的夾角與繩子拉力關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置圖

這一過(guò)程由學(xué)生小組合作完成，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在提前設(shè)計(jì)好的表格中，如表4所示。

表4 探究繩子和豎直方向的夾角與繩子拉力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)記錄表格

（3）解釋和交流

學(xué)生之間交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)表格中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉤碼的質(zhì)量不變時(shí)，兩個(gè)斜著的彈簧測(cè)力計(jì)夾角越大，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)就越大。引導(dǎo)學(xué)生們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋?zhuān)蟛糠謱W(xué)生能運(yùn)用力的合成對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。將兩彈簧測(cè)力計(jì)的拉力按照其作用效果進(jìn)行力的合成，其合力方向向上，大小與鉤碼重力相等，當(dāng)合力大小和方向不變時(shí)，兩分力的夾角越大，分力越大，驗(yàn)證之前的猜想。

STEM設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)STEM教育的設(shè)計(jì)性和體驗(yàn)性。學(xué)生要設(shè)計(jì)并制作安全系數(shù)較高的斜拉橋模型，應(yīng)先掌握力的分解的科學(xué)知識(shí)以及斜拉橋的工程設(shè)計(jì)原理，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)的同時(shí)，以工程任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。

培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)的設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)基于建構(gòu)知識(shí)理論，在學(xué)生原有的知識(shí)水平上，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)，提升學(xué)生的猜想能力；收集證據(jù)，提出解決方案，通過(guò)科學(xué)探究獲得新的物理知識(shí)，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)采集的能力，并在交流與合作中獲得思維的解放，提升交流與合作的素養(yǎng)。

【教師補(bǔ)充相關(guān)物理概念和知識(shí)】

教師借助多媒體動(dòng)畫(huà)讓學(xué)生理解若沒(méi)有條件限制，一個(gè)力可以分解成無(wú)數(shù)多組分力，這就是力的分解，力的分解與力的合成互為逆運(yùn)算。教師提出問(wèn)題：“能否對(duì)剛剛的實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果用力的分解來(lái)解釋?zhuān)咳绻梢?，?yīng)該分解哪一個(gè)力？為什么要進(jìn)行力的分解，力的分解的依據(jù)是什么？”同時(shí)讓學(xué)生動(dòng)手作圖，體驗(yàn)力的分解。并引導(dǎo)學(xué)生解釋開(kāi)始的問(wèn)題——為什么索塔要建這么高。大多數(shù)學(xué)生都能將鉤碼的重力進(jìn)行分解，但還有少部分學(xué)生不知如何下手。因此，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考。

本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)理念：引導(dǎo)學(xué)生嘗試?yán)昧Φ姆纸庠韥?lái)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移的能力。同時(shí)，讓學(xué)生解釋為什么重力要沿繩子延長(zhǎng)線的方向進(jìn)行分解，說(shuō)明利用力的分解將三個(gè)力變?yōu)榱怂膫€(gè)力，看似變得復(fù)雜了，但是構(gòu)造出兩對(duì)平衡力，更體現(xiàn)物理的簡(jiǎn)潔之美，讓學(xué)生懂得如何在具體情境中進(jìn)行力的分解，提升學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力及歸納總結(jié)能力。

【優(yōu)化問(wèn)題解決方案，進(jìn)行工程制作】

在學(xué)生們已經(jīng)知道力的分解的定義及為什么要進(jìn)行力的分解后，引導(dǎo)學(xué)生完成新課開(kāi)始前所布置的工程任務(wù)——制作斜拉橋模型，并測(cè)試其安全系數(shù)。鼓勵(lì)學(xué)生查閱相關(guān)資料，參照所提供的器材設(shè)計(jì)方案，通過(guò)理論分析和小組協(xié)作，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，確定最終的解決方案。以小組為單位，根據(jù)解決方案制作出最終的斜拉橋模型。圖3與圖4為部分小組的作品。

圖3 學(xué)生制作的斜拉橋模型(有小車(chē)）

圖4 學(xué)生制作的斜拉橋模型(無(wú)小車(chē)）

STEM設(shè)計(jì)理念：本環(huán)節(jié)體現(xiàn)了STEM教育的協(xié)作性。利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，確定解決方案，利用現(xiàn)代技術(shù)手段最終完成工程任務(wù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)（S）·技術(shù)（T）·工程（E）·數(shù)學(xué)（M）的深度融合。

3.2 教學(xué)實(shí)施效果分析

以某中學(xué)高一年級(jí)的兩個(gè)平行班作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。其中一個(gè)班為實(shí)驗(yàn)班，應(yīng)用基于STEM教育的高中物理教學(xué)模式；另一個(gè)班為對(duì)照班，應(yīng)用傳統(tǒng)的高中物理教學(xué)模式。由同一位教師對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班進(jìn)行教學(xué)，歷時(shí)一個(gè)學(xué)期。學(xué)期末時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班進(jìn)行有關(guān)科學(xué)探究素養(yǎng)的客觀測(cè)試。將測(cè)試成績(jī)分成三類(lèi)，即科學(xué)探究素養(yǎng)的問(wèn)題、證據(jù)、解釋要素，對(duì)三類(lèi)成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。

從表5可以看出，實(shí)驗(yàn)班在科學(xué)探究素養(yǎng)上問(wèn)題維度的均值比對(duì)照班高了將近0.8分，初步得出實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在提出問(wèn)題和猜想與假設(shè)上的水平比對(duì)照班好一些。但還需將兩個(gè)班的成績(jī)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，從表6所示的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)可以對(duì)比兩個(gè)班的成績(jī)水平是否有顯著差異，經(jīng)過(guò)方差方程的Levene檢驗(yàn)，接受方差相等的假設(shè)，說(shuō)明方差齊性。取方差齊性時(shí)的假設(shè)，方差相等時(shí)的P值為0.021＜0.05，因此可看出實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班在問(wèn)題維度的測(cè)試成績(jī)有顯著差異。通過(guò)綜合分析，得出實(shí)驗(yàn)班問(wèn)題維度的素養(yǎng)水平優(yōu)于對(duì)照班。

表5 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于問(wèn)題維度測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)量分析

表6 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于問(wèn)題維度測(cè)試結(jié)果的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

通過(guò)SPSS22.0對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班關(guān)于證據(jù)維度的成績(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)表7可以比較兩個(gè)班的均值，會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班的均值明顯高于對(duì)照班的均值，初步發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班經(jīng)歷過(guò)基于STEM教育的物理教學(xué)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)后，證據(jù)維度的素養(yǎng)水平明顯高于對(duì)照班的素養(yǎng)水平。進(jìn)一步分析表8的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)方差方程的Levene檢驗(yàn)，接受方差相等的假設(shè)，說(shuō)明方差齊性。取方差齊性時(shí)的假設(shè)，方差相等時(shí)的P值為0.000＜0.05，因此可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的物理科學(xué)探究素養(yǎng)的證據(jù)維度的成績(jī)存在顯著差異，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)班的證據(jù)素養(yǎng)水平高于對(duì)照班。

表7 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于證據(jù)維度測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)量分析

表8 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于證據(jù)維度測(cè)試結(jié)果的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)表

通過(guò)SPSS22.0對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班關(guān)于解釋維度的成績(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如表9所示的實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的均值，對(duì)照班的均值比實(shí)驗(yàn)班的低，初步論定實(shí)驗(yàn)班在解釋維度的成績(jī)高于對(duì)照班，但是要確定兩個(gè)班是否有差異，還需要進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。再進(jìn)一步分析表10，經(jīng)過(guò)方差方程的Levene檢驗(yàn)，接受方差相等的假設(shè)，說(shuō)明方差齊性。取方差齊性時(shí)的假設(shè)，方差相等時(shí)的P值為0.001＜0.05，因此可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于科學(xué)探究素養(yǎng)解釋維度的素養(yǎng)水平有顯著差異，并且實(shí)驗(yàn)班的解釋素養(yǎng)水平高于對(duì)照班的素養(yǎng)水平。

表9 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于解釋維度測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)量分析

表10 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班關(guān)于解釋維度測(cè)試結(jié)果的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

綜上分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的成績(jī)有顯著性差異，且實(shí)驗(yàn)班的成績(jī)優(yōu)于對(duì)照班的成績(jī)，初步得出實(shí)驗(yàn)班的科學(xué)探究素養(yǎng)水平高于對(duì)照班?？梢钥闯龌赟TEM教育的高中物理教學(xué)模式能增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，可以一定程度上提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，讓學(xué)生真正在探究中學(xué)習(xí)科學(xué)，動(dòng)手實(shí)踐。

4 結(jié)論

STEM教育由于其強(qiáng)調(diào)工程思維及動(dòng)手實(shí)踐的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了從項(xiàng)目制作中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力的目標(biāo)，為我國(guó)高中物理教學(xué)改革提供了一條可行之路。基于STEM教育的高中物理教學(xué)，凸顯了教學(xué)的探究性。不僅強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生掌握方法，更看重讓學(xué)生在親身探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，獲得知識(shí)。本研究所構(gòu)建的教學(xué)模式主要有四個(gè)環(huán)節(jié)，分別是：“創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題情境—以情境為主線進(jìn)行科學(xué)探究—教師補(bǔ)充相關(guān)物理知識(shí)概念—優(yōu)化解決方案進(jìn)行工程制作”。將本教學(xué)模式應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，取得了較好的教學(xué)效果，能比較有效地提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)水平。