STEAM教育理念下高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

趙彥剛

（山東省青島市即墨區(qū)市北中學(xué) 山東青島 266200）

在科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新飛速發(fā)展的背景下，STEAM教育在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了強(qiáng)大的影響力。STEAM教育相對(duì)于我國傳統(tǒng)的單科教學(xué)方式，打破了學(xué)科的獨(dú)立性，更注重學(xué)科之間的聯(lián)系?？梢哉f，STEAM教育理念將作為課堂教育的催化劑，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的原則，通過科學(xué)整合培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)和技能，靈活傳遞內(nèi)容解決現(xiàn)實(shí)問題，使學(xué)生成為多種行業(yè)需要的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。本文旨在為STEAM教育在高中的實(shí)施提供參考范式。

一、STEAM教育特征

1.項(xiàng)目為導(dǎo)向

STEAM教育通過提出和完成項(xiàng)目將項(xiàng)目視為學(xué)習(xí)和行動(dòng)的單元，使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)知識(shí)并展示實(shí)踐技能。采用STEAM教學(xué)方法，一方面可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐熱情，另一方面，從整體上來看更能夠增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同互助能力，讓學(xué)生“邊做邊學(xué)”[1]。

2.不同學(xué)科交叉，綜合性強(qiáng)

STEAM培訓(xùn)融合了多種學(xué)習(xí)方式。不同領(lǐng)域的教師可以靈活地交叉各個(gè)學(xué)科的學(xué)科知識(shí)，從而使學(xué)生的學(xué)習(xí)系統(tǒng)化，達(dá)到類比的效果，增加學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)，STEAM教育讓學(xué)生通過將所學(xué)知識(shí)與生活現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，真正應(yīng)用所學(xué)。

3.注重過程而非結(jié)果

應(yīng)試教育關(guān)注的是老師、學(xué)生、家長、整個(gè)社會(huì)的學(xué)習(xí)成果，卻忽略了學(xué)習(xí)的本質(zhì)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生有能力去學(xué)習(xí)、去思考，最終發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。STEAM教育旨在更注重學(xué)習(xí)過程而非學(xué)習(xí)結(jié)果，減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)和學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，讓學(xué)生真正沉浸在學(xué)習(xí)中，享受學(xué)習(xí)的樂趣。

4.允許學(xué)生犯錯(cuò)，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)造性

STEAM教育本質(zhì)上是一種允許學(xué)生犯錯(cuò)的教育思想，它可以鼓勵(lì)學(xué)生犯錯(cuò)，大膽挑戰(zhàn)，提出自己不同的想法，成為完全不同于基于標(biāo)準(zhǔn)答案的傳統(tǒng)教育的獨(dú)立學(xué)習(xí)者。同時(shí)，STEAM教育通過貫徹創(chuàng)新是科技生產(chǎn)第一發(fā)展要素的特點(diǎn)，可以有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

5.靈活性強(qiáng)，適用面廣

STEAM教育起源于美國，但得到世界各地教育工作者的認(rèn)可。除了以上四個(gè)特點(diǎn)之外，還有一個(gè)特點(diǎn)使得STEAM教育理念適用于各個(gè)國家和地區(qū)。以全國為例，不同地區(qū)的教育工作者可以結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)土人情和地方特色，創(chuàng)新教育形式，設(shè)計(jì)出適合本地區(qū)的創(chuàng)新教育模式[2]。

二、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入STEAM教育理念的價(jià)值

1.STEAM教育聚焦跨學(xué)科融合

實(shí)行STEAM最重要的一點(diǎn)便是學(xué)科之間的科學(xué)融合，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要能夠通過恰當(dāng)、科學(xué)的方式滲透跨學(xué)科知識(shí)，更好地融合物理學(xué)科與其他學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容。物理是一個(gè)綜合性的題目，有一定的集成性，尤其是在物理實(shí)驗(yàn)中，不僅需要用到物理知識(shí)，還需運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用等多方面知識(shí)，因此在進(jìn)行物理實(shí)踐中必須要充分理解并運(yùn)用這些豐富的知識(shí)，要想學(xué)好物理，不僅要借助跨學(xué)科的思維分析物理問題，還要分析一定的跨學(xué)科知識(shí)和技能。

在高中物理教育中融入STEAM教育理念，能更好地展現(xiàn)物理的科學(xué)性以及推理性，更能突顯出數(shù)學(xué)學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)性與情境的趣味性，然而，突出這幾種特性的重要前提，就是教師不僅要具備專業(yè)的物理知識(shí)，更要有全面的跨學(xué)科素養(yǎng)。也就是說，高中物理教師在能夠熟練運(yùn)用本學(xué)科專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)上，還必須要向?qū)W生拓展化學(xué)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、文學(xué)等多方面知識(shí)，尤其是隨著高科技產(chǎn)品滲入校園，教師還可以掌握幾種新型設(shè)備的使用，例如3D打印機(jī)、投影儀等，還應(yīng)該熟練使用電腦軟件，諸如犀牛、Python以及Flash等等，若教師在教學(xué)過程中能夠運(yùn)用這些軟件進(jìn)行動(dòng)畫、模型展示，不僅能讓學(xué)生眼前一亮，更能夠?qū)⒊橄蟮奈锢砀拍钭兊猛ㄋ滓锥瑢⒄n本上的平面圖形變成立體結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到“寓教于樂”的目的。例如，教師在進(jìn)行電流教學(xué)時(shí)，便可以運(yùn)用Flash這一軟件，將電流在電路中的變化動(dòng)畫化，取代了傳統(tǒng)課堂上學(xué)生面對(duì)一系列的電子元件卻不從下手的現(xiàn)象，因此，可以說運(yùn)用教學(xué)軟件更能夠適用于現(xiàn)代學(xué)生的思維發(fā)展特征，更好地輔助學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生解決了學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，很大程度上促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維以及發(fā)散思維的形成。因此，教師進(jìn)行跨學(xué)科的教育能夠?yàn)槲锢斫虒W(xué)展現(xiàn)出多維度的教學(xué)內(nèi)容和呈現(xiàn)方式，既精準(zhǔn)地集中了物理教師的教育積累，又?jǐn)U大了綜合性，促進(jìn)了物理教師學(xué)習(xí)、掌握和應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)的主動(dòng)性。將STEAM教育思想與教師充足的跨學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備相融合，可以使物理教育更加科學(xué)、真實(shí)、實(shí)用、適用，激發(fā)學(xué)生的知識(shí)興趣，促進(jìn)學(xué)習(xí)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)物理核心素養(yǎng)提升目標(biāo)[3]。

2.STEAM教育注重實(shí)踐與應(yīng)用

從STEAM教育的角度來看，物理教育設(shè)計(jì)應(yīng)該更加注重技巧性、可靠性和應(yīng)用性，以激發(fā)學(xué)生的興趣，吸引學(xué)生的注意力。因此，高中物理教師必須將教學(xué)設(shè)計(jì)作為授課工作的重點(diǎn)，多使用學(xué)生生活中常見的工具，也可以充分利用科技成果，用來再現(xiàn)物理情景，使學(xué)生更加感興趣，鼓勵(lì)學(xué)生積極協(xié)作并參與課堂討論[4]。

在基于STEAM教育理念設(shè)計(jì)中，探究實(shí)驗(yàn)“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”時(shí)，選擇了在生活中較為常見的實(shí)驗(yàn)道具，在實(shí)驗(yàn)中，選擇小車、紙帶、木板等工具，讓學(xué)生通過自己動(dòng)手實(shí)踐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得出小車速度與時(shí)間之間的變化關(guān)系，小車是學(xué)生日常生活中非常常見的小玩具，由于其便利性得到了眾多物理老師的青睞，不僅能夠清晰明確地展現(xiàn)出課本上的實(shí)驗(yàn)，更可以讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，自主探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在這種情況下，教師可以通過選擇適合物理教育的生物材料來接近物理，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過程中發(fā)現(xiàn)問題，特別是在一些現(xiàn)實(shí)生活中較為接近場(chǎng)景，以此來設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的教育計(jì)劃。

三、新課程標(biāo)準(zhǔn)下，高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀解析

1.教師教學(xué)存在的問題

（1）沒有給予足夠的重視。一些物理教師深受傳統(tǒng)教學(xué)觀念的束縛，認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)是可有可無的，只注重理論知識(shí)的傳授和問題的解決，所以沒有給予物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)足夠的重視。（2）教師教學(xué)方法受到束縛。有些物理教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很容易被傳統(tǒng)教學(xué)方法束縛，沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，只是根據(jù)自己多年經(jīng)驗(yàn)重復(fù)操作。然而，時(shí)代在不斷變化，教師的教學(xué)方法也必須要得到創(chuàng)新才能更好地適用于新時(shí)代。（3）不重視理論與實(shí)踐之間的協(xié)同性。物理是一門實(shí)踐能力強(qiáng)且理論知識(shí)繁多的學(xué)科，在教學(xué)中，教師通常只是重復(fù)著書本上的理論知識(shí)，或者在實(shí)驗(yàn)中完全沒有進(jìn)行理論教育，這兩種教學(xué)現(xiàn)象都是不可取的，都無法促進(jìn)學(xué)生邏輯思維能力的增長，并且若采用這種教學(xué)法，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)沒有進(jìn)行深入的理解，雖然學(xué)生對(duì)理論知識(shí)對(duì)答如流，然而在實(shí)際運(yùn)用中用到理論知識(shí)的情況少之又少，因此，教師必須要將物理教學(xué)的理論和實(shí)踐進(jìn)行協(xié)同教學(xué)，才能達(dá)到高中物理教學(xué)目標(biāo)

2.學(xué)生學(xué)習(xí)存在的問題

（1）實(shí)驗(yàn)以及測(cè)量儀器使用不當(dāng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中往往過于注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，卻忽視了實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性原則，因此會(huì)出現(xiàn)劃傷、燙傷等意外情況，這主要是由于教師沒有制定一個(gè)使用規(guī)則，造成學(xué)生沒有正確使用儀器。（2）大部分學(xué)生按照課本上的實(shí)驗(yàn)指示進(jìn)行操作。如果情況有一點(diǎn)變化，學(xué)生會(huì)不知所措或者從頭再來，沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行深入思考。（3）學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的過程中，沒有按照實(shí)驗(yàn)步驟，而且逐漸降低對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的重視程度，無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

四、STEAM教育理念下高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體應(yīng)用

1.利用互聯(lián)網(wǎng)輔助教育

目前，但大部分教師將互聯(lián)網(wǎng)作為輔助工具，僅在必要時(shí)才使用多媒體進(jìn)行展示。事實(shí)上，互聯(lián)網(wǎng)可以成為教育的基礎(chǔ)，教師可以利用它為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)互動(dòng)、開放、包容的教育環(huán)境。在探索STEAM綜合教育的過程中，可以利用網(wǎng)絡(luò)教育來提高教育效果。例如，在物理實(shí)驗(yàn)的課堂上，教師可以使用數(shù)字化的工具來加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，并在課堂上與學(xué)生一起發(fā)現(xiàn)課堂上的困難。STEAM綜合教育更注重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，事?shí)上，實(shí)驗(yàn)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)來呈現(xiàn)。當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⑽锢韺?shí)驗(yàn)的效果直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生在線進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的物理教育中，師生之間的交流非常有限，并且存有時(shí)間和空間的限制，但是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓教師可以制作微課視頻，學(xué)生可以自由選擇學(xué)習(xí)時(shí)間和內(nèi)容，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。

2.開展生活化學(xué)習(xí)模式

在開展實(shí)驗(yàn)校本課程的過程中，教師著眼于新課程改革背景下物理實(shí)驗(yàn)的教育目的，立足物理實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)生活的自然聯(lián)系。同時(shí)，教師結(jié)合現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，借用生活中常見的材料和資源，讓學(xué)生“走進(jìn)生活”。在STEAM理念下，將現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)的教育目的與當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)性、歷史性、項(xiàng)目性、區(qū)域性課程，鼓勵(lì)學(xué)生有效學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)。

3.構(gòu)建與其相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

構(gòu)建恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到極其關(guān)鍵的作用，傳統(tǒng)教學(xué)課堂上，教師往往會(huì)根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的手法是否標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)步驟是否準(zhǔn)確為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，顯然僅僅通過這些無法真正評(píng)判實(shí)驗(yàn)教學(xué)是否有效。這主要是由于高中是發(fā)展學(xué)生發(fā)散思維的重要時(shí)期，有些同學(xué)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)可以適當(dāng)簡化，而有些同學(xué)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行擴(kuò)展。因此，教師需要給學(xué)生一個(gè)敢于實(shí)踐的機(jī)會(huì)，不要直接告訴學(xué)生哪些步驟是錯(cuò)的，哪些步驟是多余的等等，只需要靜靜地觀看學(xué)生實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)生思考在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。教師可以先讓團(tuán)隊(duì)之間進(jìn)行交流，若實(shí)在不明白實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因，再由教師進(jìn)行指點(diǎn)。也就是說，教師在整個(gè)過程中起到“引路人”的作用，學(xué)生才是課堂的主體，這也符合“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念。同時(shí)，可以將教學(xué)評(píng)價(jià)拓展為團(tuán)隊(duì)合作能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等多個(gè)方面，這不僅充分肯定了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，更有助于學(xué)生掌握知識(shí)，促進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)多樣化與全面化。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教育評(píng)價(jià)的過程中，教師要尊重學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生完成小組自評(píng)和互評(píng)，隨后再由教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)估，使教育評(píng)價(jià)模型更加全面和客觀。

4.開展探究式學(xué)習(xí)

探究式學(xué)習(xí)法是一種依靠自己決定探究對(duì)象，自主選擇探究方法，最終得出探究結(jié)論的學(xué)習(xí)方法。在物理教學(xué)過程中，教師不能一下子把課堂內(nèi)容傳授給學(xué)生，而是可以講理論、講實(shí)踐，采取提問的方式激發(fā)學(xué)生的興趣。STEAM的教育理念打破了學(xué)科之間的界限。例如，在課程中，教師可以拋出水污染和凈化問題，污水凈化包括物理、化學(xué)、社會(huì)、工程和其他學(xué)科，學(xué)生能夠在水源污染分析、凈化方法、社會(huì)影響和人為污染改善等方面進(jìn)行探索，也可以從住宅供水系統(tǒng)的變化來探索。這種探索性方法的教學(xué)法使學(xué)生能夠自行獲取知識(shí)并將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來。

5.做好教學(xué)總結(jié)，充分發(fā)揮STEAM教育理念的實(shí)效性

高中物理具有邏輯性強(qiáng)的特征，在教師層面來看，有效地優(yōu)化教育系統(tǒng)，優(yōu)質(zhì)教育總結(jié)是必不可少的，因此，教師在高中物理實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用STEAM教育理念進(jìn)行教學(xué)時(shí)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)教學(xué)總結(jié)活動(dòng)，找出STEAM教育理念在育人方面的優(yōu)勢(shì)和不足，更好地配置教學(xué)資源，使高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更加有效和科學(xué)，在教育中也能夠真正有效地提高高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語

綜上，隨著我國新課改的深入，不僅要求高中生能夠掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，更要增強(qiáng)自身實(shí)踐能力，增強(qiáng)邏輯思維，所以在對(duì)學(xué)生提出高要求外，教師所面臨的挑戰(zhàn)也在加重，若物理教師仍堅(jiān)持傳統(tǒng)的教學(xué)方法，那么不僅無法有效增強(qiáng)學(xué)生綜合素養(yǎng)，而且教學(xué)質(zhì)量更會(huì)顯著降低。因此，教師在教學(xué)過程中需要充分結(jié)合STEAM教學(xué)理念，深入理解STEAM教學(xué)的內(nèi)涵與意義，并將其付諸實(shí)踐中，通過不斷創(chuàng)新教學(xué)模式來找到最適宜學(xué)生成長、最符合教學(xué)實(shí)際的教學(xué)方法，只有這樣，才能更好地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得高中物理教學(xué)成效不斷提高。