徐 婷,徐 萌
STEM 教育包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)方面,最早由美國國家自然科學(xué)基金會教育在課程開發(fā)時(shí)提出,其目的是利用解決問題的方式實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的知識整合。STEM 教育通過團(tuán)隊(duì)合作,在解決實(shí)際問題的過程中進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)。STEM 教育適應(yīng)素質(zhì)教育的發(fā)展方向,符合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求,可以使學(xué)生在情境中,通過探究合作,解決一個(gè)實(shí)際問題。這樣的教育理念可以使素質(zhì)教育真正走進(jìn)課堂。
為了培養(yǎng)學(xué)生的STEM 素養(yǎng),教師最常用的方式是PBL 教學(xué)法和6E 教學(xué)法。PBL 是Project Based Learning的縮寫,意為基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí),這種教學(xué)方法以一個(gè)項(xiàng)目為核心開展學(xué)習(xí)活動。學(xué)生需要解決來自真實(shí)情景的復(fù)雜問題,在教師提出的實(shí)際問題的基礎(chǔ)上確定研究思路和解決方案,并在解決問題的過程中學(xué)習(xí)和應(yīng)用學(xué)科思想。在此過程中,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和工程技能是最終目的。基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)目標(biāo)是對教材內(nèi)容以外知識的體驗(yàn)與經(jīng)歷,能夠豐富學(xué)生對外在人和事物的認(rèn)識。
相比PBL 教學(xué)模式的單一項(xiàng)目,STEM 教學(xué)模式中包含多個(gè)項(xiàng)目,更能激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生持續(xù)不斷的學(xué)習(xí)動機(jī)與探索欲望。STEM 學(xué)習(xí)通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,在生成產(chǎn)品的過程中汲取學(xué)科核心概念和技能,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和工程技能。兩者均是讓學(xué)生在問題或項(xiàng)目的驅(qū)動下完成學(xué)習(xí)任務(wù),都是提倡多元化教學(xué)模式和多樣化教學(xué)評價(jià)。[2]
1989年,王健提出“5E”教學(xué)法。它由參與、探索、解釋、提煉、評價(jià)五部分整合而成。此模式旨在激發(fā)學(xué)生求知欲望進(jìn)而自發(fā)探究和建構(gòu)知識體系。然而“5E”教學(xué)法缺少了工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)使學(xué)生缺乏操作實(shí)踐技能。
在此之后,學(xué)者Burke 將設(shè)計(jì)與擴(kuò)展整合到“5E”方法中,從而提出“6E”教學(xué)法?!?E”教學(xué)法契合STEM 教育的基本特點(diǎn),它以情景或問題為出發(fā)點(diǎn),學(xué)生通過工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)自主綜合運(yùn)用多學(xué)科知識,從而生成產(chǎn)品。“6E”教學(xué)法主要包括六個(gè)過程:引入、探究、解釋、工程、豐富、評價(jià),相比于“5E”教學(xué)法,“6E”教學(xué)法加入了工程元素,豐富了“5E”教學(xué)法,增加了工程建造、模型設(shè)計(jì)思想。
中學(xué)物理課程改革重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)物理核心素養(yǎng)的落地。構(gòu)建從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)、以學(xué)科內(nèi)容為基礎(chǔ)、以核心素養(yǎng)為指導(dǎo)方向的中學(xué)物理課程。強(qiáng)調(diào)“注重多學(xué)科的橫向配合,建議中學(xué)進(jìn)行科學(xué)探究與技術(shù)應(yīng)用相整合的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動,以此增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)意識和實(shí)踐能力”。新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)設(shè)情境提升跨學(xué)科技能并樹立正確的科學(xué)觀和價(jià)值觀”。
STEM 理念強(qiáng)調(diào)了物理教學(xué)的實(shí)踐性,在實(shí)踐中增強(qiáng)解決問題的能力,并將其運(yùn)用到生活中,從而加深對知識的理解。從認(rèn)知維度出發(fā),STEM 理念注重解決問題的過程,學(xué)生在解決問題時(shí)會關(guān)聯(lián)到其他學(xué)科的知識,從而實(shí)現(xiàn)多學(xué)科思維的結(jié)合。學(xué)生在STEM 理念引導(dǎo)的課堂中,會對問題產(chǎn)生求知的欲望,進(jìn)而主動查詢知識找到解決問題的辦法,有效提升了學(xué)生們靈活運(yùn)用知識的能力。
發(fā)展學(xué)生技能是物理課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的教學(xué)要求。STEM 教育理念強(qiáng)調(diào)做中學(xué),注重創(chuàng)設(shè)實(shí)踐操作活動,強(qiáng)調(diào)給學(xué)生提供動手、動腦的機(jī)會,通過實(shí)踐學(xué)生既能透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)規(guī)律,又能體驗(yàn)到探究的樂趣,還能鍛煉操作技能。立足初中生的發(fā)展情況,在實(shí)施操作實(shí)踐互動的時(shí)候,教師可以引導(dǎo)學(xué)生模仿,從模仿中實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。比如,在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“杠桿”的時(shí)候,教師聯(lián)系物理與現(xiàn)實(shí)生活的關(guān)系,從生活搜尋桿秤,引導(dǎo)學(xué)生模仿制作桿秤,并利用制作的桿秤對物體進(jìn)行稱重。學(xué)生體驗(yàn)這樣的模仿活動,借助自身的感知建立對杠桿的直接認(rèn)知,便于發(fā)展物理探究能力,提高操作技能。
STS是科學(xué)science、技術(shù)technique、社會society三個(gè)單詞的第一個(gè)字母的縮寫,即科學(xué)技術(shù)與社會教育。STS教育強(qiáng)調(diào)知識的實(shí)用性和社會價(jià)值,注重科技前沿、生活實(shí)際等與物理學(xué)科的結(jié)合,注重引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際情景出發(fā)關(guān)注物理知識,體現(xiàn)了物理課程標(biāo)準(zhǔn)中“從生活走向物理,從物理走向社會”“注意學(xué)科滲透,關(guān)心科技發(fā)展”兩個(gè)基本課程理念。STS教育能讓學(xué)生了解自然界事物的相互聯(lián)系,加強(qiáng)學(xué)科間的聯(lián)系與滲透,關(guān)心科學(xué)技術(shù)的新進(jìn)展,關(guān)注科技發(fā)展給社會進(jìn)步帶來的影響,逐步樹立科學(xué)的世界觀。STEM 教育中的跨學(xué)科并不是各門學(xué)科知識進(jìn)行累加,而是強(qiáng)調(diào)知識之間的聯(lián)系和整合,并將其運(yùn)用到真實(shí)的情境中??梢姡锢碚n程中的STS 教育與STEM 教育理念完美契合,STS 教育是STEM理念的重要載體。
物理新課程標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了物理與技術(shù)、社會的聯(lián)系。課程內(nèi)容有兩個(gè)模塊側(cè)重物理學(xué)與社會科學(xué)、人文科學(xué)的融合,三個(gè)模塊側(cè)重從技術(shù)應(yīng)用的角度展示物理學(xué)。近年來出現(xiàn)許多聯(lián)系科技、生產(chǎn)、生活實(shí)際的新穎問題,是中考命題的一個(gè)重要方向。如2021年長春市中考物理試卷第7題:
氣凝膠是當(dāng)今世界上密度最小的固體。這種新材料具有隔熱、絕緣能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)。這種材料不適合制作( )。
A.用電器絕緣外殼 B.導(dǎo)線 C.冰箱隔熱材料 D.墻體保溫板
本題的素材來自人教版八年級物理上冊中STS部分的內(nèi)容,如圖1所示。
圖1 教材中的某一STS內(nèi)容
STEM 教育理念強(qiáng)調(diào)創(chuàng)設(shè)情境,以項(xiàng)目式教學(xué)開展學(xué)習(xí)活動。在科學(xué)探究過程中小組合作設(shè)計(jì)方案,反思交流進(jìn)行修正,形成最終產(chǎn)品并解決實(shí)際問題。基于STEM 教育理念的物理學(xué)習(xí)活動強(qiáng)調(diào)任務(wù)驅(qū)動教學(xué),學(xué)生在問題驅(qū)動下搜集資料合作探究,從而更深入理解物理概念以及物理本質(zhì)。設(shè)計(jì)探究方案的過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法與建構(gòu)模型的能力,與此同時(shí),科學(xué)推理過程能夠讓學(xué)生正確認(rèn)識科學(xué)本質(zhì),形成實(shí)事求是、追求科學(xué)創(chuàng)新的意識。物理學(xué)強(qiáng)調(diào)以觀察日常生活與動手操作為基準(zhǔn),建構(gòu)模型,在科學(xué)演繹中形成理論體系。綜上所述可知兩者都是基于自然現(xiàn)象,使學(xué)生通過觀察、思索、探究等環(huán)節(jié)解決問題,因此將STEM理念融入初中物理教學(xué)是切實(shí)可行的。
初中生動手制作經(jīng)驗(yàn)不足,教師可以降低難度,引領(lǐng)學(xué)生模仿制作,使其領(lǐng)悟裝置的工作原理。在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生以項(xiàng)目驅(qū)動為載體,通過小組合作的形式,最終形成實(shí)物作品。
例如“杠桿”的教學(xué),教師可以給學(xué)生留實(shí)踐作業(yè),讓學(xué)生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)和杠桿知識嘗試做桿秤。這個(gè)過程不僅會用到杠桿的平衡知識,還會運(yùn)用數(shù)學(xué)和工程方面的理論。標(biāo)注桿秤的刻度和單位時(shí),需要學(xué)生清楚數(shù)理之間的關(guān)系,通過動手制作使工程技術(shù)理念根植于學(xué)生心中。[3]
又如“物體浮沉條件及應(yīng)用”的教學(xué),可以通過制作潛水艇培養(yǎng)學(xué)生“在做中學(xué)、在學(xué)中做”的工程思維。[4]在學(xué)生了解潛水艇的基本結(jié)構(gòu)后,教師給學(xué)生提供制作的工具,引導(dǎo)學(xué)生利用浮沉條件的知識,以小組合作的形式進(jìn)行潛水艇制作。學(xué)生動手制作體驗(yàn)潛水艇,能夠在工程制作過程中培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng),增強(qiáng)學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力。整個(gè)教學(xué)活動以STEM教育理念為基礎(chǔ),以設(shè)計(jì)制作潛水艇項(xiàng)目為驅(qū)動,是典型的STEM 項(xiàng)目的學(xué)習(xí)案例。
2018年,鐘柏昌教授將STEM 教育分為兩個(gè)方向,一種為作品開發(fā),另一種為科學(xué)探究。作品開發(fā)方向側(cè)重形成實(shí)物成果,科學(xué)探究方向更側(cè)重知識性成果的生成,如圖2所示。
圖2 STEM教育的主要方向
科學(xué)探究是指通過觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題,對該物理問題猜想質(zhì)疑,然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案得出結(jié)論并解決問題,最后通過交流評價(jià)深化對物理觀念的理解并遷移應(yīng)用。物理課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)研究式教學(xué)模式,讓學(xué)生在情境中掌握科學(xué)探究的流程。STEM教育理念提倡體驗(yàn)性及情境性的特點(diǎn)與科學(xué)探究式教學(xué)的特點(diǎn)不謀而合。筆者以“變阻器”一課的教學(xué)設(shè)計(jì)為STEM 案例,通過引導(dǎo)學(xué)生探究滑動變阻器的制作過程及如何使用滑動變阻器,研究落實(shí)STEM理念的過程。[5]
科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的要素,STEM 理念是物理核心素養(yǎng)的重要載體,所以教師在教學(xué)中應(yīng)關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。“變阻器”教學(xué)設(shè)計(jì)以建構(gòu)滑動變阻器的“結(jié)構(gòu)”模型為思路,以學(xué)生實(shí)驗(yàn)為核心,以任務(wù)驅(qū)動為載體,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。[6]
在STEM 理念下思考“變阻器”的教學(xué)設(shè)計(jì),主要將STEM理念的第二個(gè)方向“科學(xué)探究”融入教學(xué)設(shè)計(jì)。將教學(xué)目標(biāo)定位在以原理為根本、使用為關(guān)鍵,而這些都與變阻器結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。因此,筆者在變阻器的教學(xué)實(shí)踐中引領(lǐng)學(xué)生生成了知識性成果。
1.教學(xué)目標(biāo)
(1)能說出滑動變阻器的構(gòu)造,畫出它在電路圖中的符號,理解變阻器的工作原理。
(2)會把滑動變阻器正確連入電路來改變電路中的電流及用電器兩端的電壓。
2.素養(yǎng)目標(biāo)
練習(xí)使用滑動變阻器,意在讓學(xué)生在聯(lián)系實(shí)際、解決具體問題的過程中鞏固、深化和活化知識,看到自己在學(xué)習(xí)中的收獲。新課標(biāo)重科學(xué)探究,突出問題導(dǎo)向,強(qiáng)調(diào)真實(shí)問題情境,引導(dǎo)學(xué)生在不斷探索中解決物理問題,發(fā)展物理核心素養(yǎng)。
3.教學(xué)重難點(diǎn)及突破
變阻器是初中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的重要組成部分,變阻器的學(xué)習(xí)直接影響到伏安法測電阻、伏安法測量電功率的學(xué)習(xí)。本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)是知道變阻器的工作原理,教學(xué)難點(diǎn)是按照要求正確連接變阻器。為突出教學(xué)重點(diǎn),教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是教師引導(dǎo)學(xué)生考慮如何改變電路中小燈泡的亮度,進(jìn)而引出通過改變電阻來達(dá)到改變電流的目的。突破教學(xué)難點(diǎn)的關(guān)鍵是讓學(xué)生通過把變阻器接入電路的實(shí)驗(yàn),體會并發(fā)現(xiàn)如何正確連接變阻器。
STEM 理念的最大特征是跨學(xué)科性,物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中提出了跨學(xué)科實(shí)踐板塊,提到:突出問題導(dǎo)向,重視遷移能力的培養(yǎng)。創(chuàng)設(shè)聯(lián)系生活、工程、社會等真實(shí)問題情境,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題,通過觀察、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和制作等活動,促進(jìn)知識的跨學(xué)科遷移和整合,不斷提高學(xué)生的技術(shù)意識、工程思維和動手操作能力。所以,在物理教學(xué)中應(yīng)用STEM理念是非常必要的。
1.注重思維連續(xù),科學(xué)合理引課
教師在“變阻器”教學(xué)的引課環(huán)節(jié)可以從學(xué)生思維的連續(xù)性、降低思維障礙的角度考慮。選擇用“移動”來改變燈泡亮度的“魔術(shù)”引入新課,更為科學(xué)合理。
教師在電路板上連接開關(guān)控制一個(gè)燈泡發(fā)光的電路,將電阻絲繞在電路板后,導(dǎo)線上連有磁體,閉合開關(guān),燈泡發(fā)光,手戴磁戒指在電路板的前方移動,通過磁戒指和磁體的相互吸引力使燈泡的亮度發(fā)生明顯變化,激發(fā)學(xué)生探究的欲望,進(jìn)而提出燈泡亮度改變是電路中哪個(gè)物理量發(fā)生改變?學(xué)生知道是電流。進(jìn)而復(fù)習(xí)提問改變電流的方法:改變電壓和電阻。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的是哪種方法改變電流?學(xué)生知道是改變電阻。繼續(xù)復(fù)習(xí)改變電阻的方法,從而順利導(dǎo)入新課。
2.以探究為核心,以任務(wù)驅(qū)動為載體,內(nèi)化科學(xué)思維
物理課程標(biāo)準(zhǔn)中提出科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo),又是重要的教學(xué)方式。筆者認(rèn)為科學(xué)探究不一定要經(jīng)歷完整的探究實(shí)驗(yàn)過程。物理學(xué)中規(guī)律的得出或者物理實(shí)驗(yàn)器材的發(fā)明都體現(xiàn)了科學(xué)探究思想?;诖?,筆者嘗試以科學(xué)探究為核心、以任務(wù)驅(qū)動為載體,進(jìn)行了“變阻器”的教學(xué)設(shè)計(jì),以期使學(xué)生內(nèi)化科學(xué)推理、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維品質(zhì)。
在“變阻器”教學(xué)中,無論是通過滑片的移動判斷燈泡的亮暗這一教學(xué)重點(diǎn),還是如何正確連接變阻器這一教學(xué)難點(diǎn),都需要學(xué)生對滑動變阻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理解,所以筆者將變阻器的結(jié)構(gòu)教學(xué)定為突破重難點(diǎn)的關(guān)鍵,教學(xué)過程中注重強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)器材工作原理的過程性教學(xué)。圖3是教師通過設(shè)問、合理引導(dǎo),讓學(xué)生經(jīng)歷把一根鉛筆芯變成一個(gè)滑動變阻器模型的探究過程,幫助學(xué)生經(jīng)歷變阻器的制作過程,從而掌握科學(xué)的研究方法。
圖3 用鉛筆芯制作變阻器模型的過程
物理課堂教學(xué)應(yīng)將物理現(xiàn)象背后的物理過程展現(xiàn)出來,讓學(xué)生經(jīng)歷、體會原汁原味的物理問題,多創(chuàng)造他們親身經(jīng)歷物理概念的形成過程,物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程以及物理問題的解決過程。教師應(yīng)該多從物理的原始問題出發(fā),立足于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行引導(dǎo),關(guān)注學(xué)生體驗(yàn)知識形成的過程,幫助學(xué)生掌握科學(xué)的探究方法,讓科學(xué)探究方法成為學(xué)生樹立探究意識的堅(jiān)強(qiáng)后盾。
3.搭建低臺階問題,細(xì)化探究過程,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度
讓學(xué)生經(jīng)歷將一根鉛筆芯變成一個(gè)滑動變阻器模型的探究過程,需要教師精心搭建低臺階問題、細(xì)化探究過程。例如:將電阻絲纏繞在圓筒上時(shí),是纏繞導(dǎo)體還是絕緣體;纏繞電阻絲時(shí),是緊密纏繞還是留有縫隙;將彼此不絕緣的每一圈導(dǎo)線緊密挨在一起有什么問題;涂上絕緣漆滑片移動時(shí)只接觸到了絕緣導(dǎo)線的外層,不能接觸到里面的金屬導(dǎo)線,無法將電路連通等。
雖然本節(jié)課上學(xué)生最終沒有動手制作一個(gè)完整的變阻器,但是經(jīng)歷了變阻器的發(fā)明過程,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究意識。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中觀察、實(shí)驗(yàn)、分析、質(zhì)疑,不僅夯實(shí)了知識性內(nèi)容,還在獲得體驗(yàn)的同時(shí)掌握了解決問題的方法,提高了解決問題的能力。波利亞說:“在教一個(gè)科學(xué)的分支(或一個(gè)理論、一個(gè)概念)時(shí),我們應(yīng)該讓孩子重蹈人類思想發(fā)展中的那些關(guān)鍵的步子,當(dāng)然我們不應(yīng)該讓他們重蹈過去的無數(shù)個(gè)錯(cuò)誤,而僅僅是重蹈關(guān)鍵性的步子?!?/p>
4.經(jīng)歷自主探究,體會變阻器的使用
科學(xué)探究是獲得物理知識和物理規(guī)律的重要手段,圖4是“變阻器使用”教學(xué)中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)電路,圖5是實(shí)驗(yàn)探究表格。學(xué)生正是通過科學(xué)探究,運(yùn)用歸納法總結(jié)出了變阻器的正確使用方法,使學(xué)生很好地理解了變阻器哪部分連入電路中。
圖4 學(xué)生實(shí)驗(yàn)電路
圖5 實(shí)驗(yàn)探究表格
學(xué)生通過探究和練習(xí)滑動變阻器的使用體驗(yàn)科學(xué)探究的方法,感受科學(xué)探究的過程,了解并掌握物理探究的基本流程和思維過程。在學(xué)生經(jīng)歷自主探究過后,對滑動變阻器的結(jié)構(gòu)、原理及使用有了更深一步的認(rèn)識,教師引領(lǐng)學(xué)生分析、總結(jié)將滑動變阻器連入電路要遵循什么原則。學(xué)生很容易想到應(yīng)遵循“一上一下”的原則。
課堂中學(xué)生經(jīng)歷了自主探究和歸納總結(jié)的過程,學(xué)生參與了知識的獲取過程,加深了對知識的理解,這樣的學(xué)習(xí)過程培養(yǎng)了學(xué)生的分析推理能力,有利于養(yǎng)成學(xué)生物理科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)思維品質(zhì)。
在STEM 理念的視域下,初中物理教師應(yīng)盡可能找到創(chuàng)新教學(xué)的突破口,將提升學(xué)生的探究能力和問題解決能力作為教學(xué)關(guān)鍵。本文以STEM 教育方法為指導(dǎo)、以構(gòu)建項(xiàng)目教學(xué)為主體進(jìn)行了“變阻器”的教學(xué)設(shè)計(jì),把多領(lǐng)域的知識進(jìn)行融合,有效激發(fā)了學(xué)生興趣,實(shí)現(xiàn)了知識整合,發(fā)展了學(xué)生的高階思維,并改善了當(dāng)前物理教學(xué)中存在的問題。將STEM 理念融于物理實(shí)驗(yàn)課中大大提升了教學(xué)的趣味性,培養(yǎng)了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和對物理概念的理解。[8]