基于STEM教育理念的高中物理電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)模式探究

岑燕君

【摘要】STEM教育已經(jīng)成為全球教育專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)話題，其核心是以培養(yǎng)具有質(zhì)疑精神、獨(dú)立思考和能運(yùn)用綜合知識(shí)設(shè)計(jì)方案、動(dòng)手制作解決問題的能力為目標(biāo)的一種教育模式。本文分析當(dāng)前高中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的幾個(gè)問題，總結(jié)出基于STEM教育理念的高中物理電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的三種模式——驗(yàn)證型、探究型和創(chuàng)新型，并針對(duì)這些模式設(shè)計(jì)教學(xué)案例進(jìn)行分析和實(shí)施。

【關(guān)鍵詞】高中物理;STEM教育理念;電學(xué)演示實(shí)驗(yàn);教學(xué)改進(jìn)

物理學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然科學(xué)，以演示實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)幫助學(xué)生形成相關(guān)的物理觀念。在實(shí)際物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于教師的教育理念、教學(xué)硬件、評(píng)價(jià)體系等因素的影響，教學(xué)的實(shí)際效果達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)該問題，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂版）》提出，學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中，要掌握科學(xué)研究方法和體驗(yàn)科學(xué)探索過程，并培養(yǎng)實(shí)踐探究、科學(xué)創(chuàng)新和問題解決能力等綜合素養(yǎng)。因此，在高中物理實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)中，需要采用科學(xué)的教學(xué)方法，讓學(xué)生積極參與并樂于實(shí)驗(yàn)探究和勇于科學(xué)創(chuàng)新。

一、演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)活動(dòng)引入STEM教育的意義

（一）演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.教師的教育理念仍受傳統(tǒng)教學(xué)理念支配，重視知識(shí)的傳授，缺乏能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般流程：介紹儀器——教師演示實(shí)驗(yàn)——學(xué)生觀察現(xiàn)象——教師得出結(jié)論——直接講授知識(shí)，雖然能快速讓學(xué)生知道更多的知識(shí)，卻無助于提升學(xué)生的相關(guān)素養(yǎng)。

2.在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，學(xué)校對(duì)物理實(shí)驗(yàn)不夠重視，實(shí)驗(yàn)器材陳舊，或者提供一些型號(hào)、質(zhì)量不太好的器材，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

3.大部分電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)都脫離了學(xué)生熟悉的生活情景，提供的實(shí)驗(yàn)難以激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生容易養(yǎng)成只看不思考、不動(dòng)手、不參與的習(xí)慣。

4.在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)目標(biāo)以知識(shí)為主，沒有針對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的設(shè)計(jì)，學(xué)生僅停留在表面的現(xiàn)象總結(jié)，無交流協(xié)作能力、探究能力、推導(dǎo)能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力等方面的培養(yǎng)。

（二）STEM教育的核心素養(yǎng)及理念

STEM教育即科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等教育的簡(jiǎn)寫，提倡跨學(xué)科教育，使用多學(xué)科的思維和知識(shí)解決實(shí)際問題。它以真實(shí)的問題情境為引導(dǎo)，以思維為中心，以工程設(shè)計(jì)、制作為支點(diǎn)，在實(shí)踐中應(yīng)用知識(shí)、構(gòu)建觀念，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用綜合知識(shí)、技能和方法解決問題的能力;以真實(shí)的情境教學(xué)為背景，吸引學(xué)生注意，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，讓STEM教育具有趣味性;把學(xué)科知識(shí)和實(shí)際生活聯(lián)系起來，提出問題、分組合作解決問題，讓教學(xué)具有實(shí)踐性、探究性和協(xié)作性;制訂教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合新課標(biāo)核心素養(yǎng)（物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）進(jìn)行詳細(xì)闡述，最后，在核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求下再根據(jù)實(shí)際目標(biāo)劃分為培養(yǎng)學(xué)生能力的子目標(biāo)，形成STEM教育的多層次目標(biāo)體系等設(shè)計(jì)理念。

二、電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式分類及改進(jìn)實(shí)踐

結(jié)合STEM教育的教學(xué)理念，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者特點(diǎn)、學(xué)習(xí)環(huán)境等因素，重新設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，將STEM教育的多種特性融合到電學(xué)實(shí)驗(yàn)中。本文將物理電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證型、探究型和創(chuàng)新型三種模式，通過實(shí)驗(yàn)構(gòu)建概念和規(guī)律、體驗(yàn)物理研究方法及培養(yǎng)研究思維，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

1.驗(yàn)證型演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

驗(yàn)證型演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生對(duì)已知結(jié)果的驗(yàn)證，但結(jié)論并不是教學(xué)的重點(diǎn)，怎樣通過所學(xué)知識(shí)、技能、方法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手制作驗(yàn)證結(jié)論的過程才是關(guān)鍵。該模式適用于原理簡(jiǎn)單、器材易獲取、在教師指導(dǎo)下大部分學(xué)生都可以自主完成的演示實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)的基本思路如下，以驗(yàn)證帶電物體可以吸引輕小物體為例：

（1）情境引入——帶電的毛衣靠近紙屑，紙屑飛到毛衣上，引起學(xué)生的興趣，引出學(xué)習(xí)的主題。

（2）教學(xué)子目標(biāo)制訂——教師在STEM理念的指導(dǎo)下從教學(xué)目的、學(xué)生已有知識(shí)儲(chǔ)備、可以提供的實(shí)驗(yàn)物品，設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)子目標(biāo)分小組完成：①生活中摩擦起電明顯的現(xiàn)象有哪些？（通過生活觀察、查找資料收集）②提供這些摩擦起電現(xiàn)象明顯的物體及類似的材料，讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)多種方案使這些物體（如，羊毛衫、膠袋、氣球等）帶上電。③收集輕小物體（如，紙屑、頭發(fā)）。④設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證這些帶電的物體是否可以吸引輕小物體。讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，積極參與到教學(xué)中。

（3）學(xué)生查找資料、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、實(shí)施方案并從物理視角解析現(xiàn)象。通過收集信息、設(shè)計(jì)、實(shí)施方案、解析等培養(yǎng)了學(xué)生工程設(shè)計(jì)的思維能力、探究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。

（4）分享反思——小組對(duì)所完成的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從效果明顯性、趣味性、創(chuàng)新性等方面進(jìn)行討論，評(píng)出最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案。教師做好指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)，并且還可以在學(xué)生所實(shí)施的方案中進(jìn)行設(shè)疑，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑的思維能力。

2.探究型演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

探究型演示實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是去發(fā)現(xiàn)并解析學(xué)生未知的現(xiàn)象，通過探究形成新的物理觀念。教師根據(jù)生活現(xiàn)象，設(shè)計(jì)情境，引出學(xué)生的疑問。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生分組討論、提出方案、實(shí)驗(yàn)探究、得出結(jié)論并解釋現(xiàn)象。通過讓學(xué)生身心都參與到教學(xué)當(dāng)中，完成知識(shí)的建構(gòu)和深化，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，以及協(xié)作學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考的能力。該模式適用于需要通過實(shí)驗(yàn)探究才能理解的抽象概念和規(guī)律。其基本思路如下，以探究感應(yīng)電流的方向?yàn)槔?/p>

（1）生活現(xiàn)象引入——引入的現(xiàn)象來源于生活中讓學(xué)生覺得有趣的情景。讓學(xué)生體會(huì)到物理來源于生活，又高于生活，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情。如，提供兩根形狀、長(zhǎng)度和大小都相同的鋁管和塑料管，讓兩名學(xué)生分別豎直舉起兩管在同一高度，教師分別在兩管上端同時(shí)靜止釋放同樣型號(hào)的條形磁鐵，穿過兩個(gè)管，且與管壁不接觸，結(jié)果兩磁鐵從管中離開的時(shí)間并不相同。

（2）提出問題——教師結(jié)合引入的生活現(xiàn)象，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)提出疑問，引導(dǎo)學(xué)生回歸課堂。如，“為何同樣型號(hào)的條形磁鐵，從不同管中靜止釋放下降相同高度，時(shí)間會(huì)不同呢？”

（3）教師設(shè)計(jì)情境，分步落實(shí)教學(xué)子目標(biāo)——教師考慮到學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能出現(xiàn)的問題，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)能力要求精心設(shè)計(jì)緊貼學(xué)習(xí)內(nèi)容的工具和資源，幫助學(xué)生完成知識(shí)的遷移和深化理解。如：

目標(biāo)1：掌握磁體與導(dǎo)體間相互作用的原因是感應(yīng)電流的生產(chǎn)。各小組學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的問題，動(dòng)手操作，組內(nèi)分析討論，得出結(jié)論。情境裝置如下：

圖1? 條形磁鐵穿過閉合鋁環(huán)

目標(biāo)2：探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果？讓學(xué)生根據(jù)教師設(shè)計(jì)問題深入現(xiàn)象分析，得出感應(yīng)電流的效果是阻礙磁體與導(dǎo)體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

目標(biāo)3：探究感應(yīng)電流方向遵循的規(guī)律。教師設(shè)計(jì)一系列的問題串，引導(dǎo)學(xué)生從感應(yīng)電流流向的判斷到環(huán)內(nèi)磁通量的變化及感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)間方向關(guān)系，得出結(jié)論。具體情景如下：

圖2? 感應(yīng)電流方向的規(guī)律

（4）設(shè)計(jì)方案，動(dòng)手操作驗(yàn)證結(jié)論。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)合理的方案，并實(shí)施方案從理論分析和實(shí)驗(yàn)操作中檢驗(yàn)結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神、工程設(shè)計(jì)和制作的能力及實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

（5）解釋現(xiàn)象，學(xué)以致用。通過學(xué)生運(yùn)用所學(xué)解決問題，既檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握情況，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的思維。如，“相同的磁鐵從同樣大小的鋁管和塑料管靜止下落，經(jīng)過哪個(gè)管的時(shí)間慢？”用所學(xué)的知識(shí)分析原因，并從能量轉(zhuǎn)換的角度說明。

3.創(chuàng)新型演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

創(chuàng)新型演示實(shí)驗(yàn)適用于實(shí)驗(yàn)原理方法不嚴(yán)謹(jǐn)、器材型號(hào)不符、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以突破教學(xué)難點(diǎn)等情況，通過已有工具、資源對(duì)其器材或者方法進(jìn)行改進(jìn)，以增強(qiáng)現(xiàn)象的準(zhǔn)確性、明顯性、實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)的攻克等，其核心是實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性，其基本思路如下，以遠(yuǎn)距離輸電演示實(shí)驗(yàn)為例：

（1）現(xiàn)象呈現(xiàn)原實(shí)驗(yàn)的問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲。遠(yuǎn)距離高壓輸電原因是輸電線有電阻，根據(jù)焦耳定律輸電線耗損受電流影響較大，通過高壓輸電降低輸電線中的電流，教師根據(jù)課本提供實(shí)驗(yàn)裝置圖（如圖3所示）連接電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，讓學(xué)生眼見為實(shí)。

圖3? 遠(yuǎn)距離輸電實(shí)驗(yàn)演示

當(dāng)遠(yuǎn)距離輸電線的電阻小時(shí)，對(duì)電能的損耗遠(yuǎn)小于變壓器本身的能量損失，可能得出完全相反的結(jié)論，干擾學(xué)生對(duì)高壓輸電過程中導(dǎo)線電阻導(dǎo)致電壓損失和電能損失的理解。因此，教師通過設(shè)計(jì)一系列的子目標(biāo)引導(dǎo)學(xué)生一起改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

（2）提出問題，引導(dǎo)創(chuàng)新，培養(yǎng)科學(xué)思維、解決問題的能力。導(dǎo)線電阻的阻值均為2Ω，可以明顯看到經(jīng)過變壓器高壓輸電后的燈泡的亮度更暗。由此現(xiàn)象展開一系列問題引導(dǎo)學(xué)生完成：①高壓輸電導(dǎo)線的電流更小，為何燈泡反而更暗？讓學(xué)生展開思考、討論，找出原因②若想實(shí)現(xiàn)高壓輸電優(yōu)于低壓輸電的實(shí)驗(yàn)效果，輸電線的電阻有何要求，用什么器材代替導(dǎo)線的電阻，既可以改變導(dǎo)線的電阻，又可以準(zhǔn)確獲得其阻值。③回路中如何準(zhǔn)確觀察輸電導(dǎo)線兩端的電壓、流過的電流的變化情況？學(xué)生分組討論，教師適當(dāng)指導(dǎo)和點(diǎn)撥，經(jīng)教師啟發(fā)學(xué)生交流討論后，師生一起完成新電路圖的改進(jìn)。把要實(shí)現(xiàn)的子目標(biāo)通過問題形式一一呈現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

（3）應(yīng)用改進(jìn)，培養(yǎng)動(dòng)手操作和相互協(xié)作的能力。經(jīng)過師生共同努力改進(jìn)電路圖（如圖4所示），電阻箱代替電阻絲，電阻阻值大小可以隨意調(diào)節(jié)，且準(zhǔn)確讀出阻值。電路中接入電壓表和電流表，準(zhǔn)確讀出輸電線兩端的電壓和流過導(dǎo)線的電流，能準(zhǔn)確觀察接入變壓器對(duì)輸電線路的電壓和電流的影響，加深學(xué)生的理解。

圖4? 遠(yuǎn)距離輸電改進(jìn)圖

根據(jù)改進(jìn)電路圖，學(xué)生分組連接電路，按照表格要求，改變電阻箱的電阻完成以下問題：導(dǎo)線電阻越大，燈泡亮暗比較有何特點(diǎn)？升壓變壓器對(duì)哪種阻值的導(dǎo)線的能損減少有明顯效果。導(dǎo)線電阻的電壓與電壓表測(cè)量結(jié)果是否相同，原因是？通過學(xué)生的動(dòng)手操作，收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)分析、解決問題的能力。

（4）分享反思。原教材中設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难菔緦?shí)驗(yàn)，通過問題的呈現(xiàn)，引起認(rèn)知的沖突，設(shè)計(jì)一系列子目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新和改進(jìn)，運(yùn)用所學(xué)，改進(jìn)方案及實(shí)施，分享和交流，激發(fā)學(xué)習(xí)和探索的熱情。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)物理電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)在STEM設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下，本研究總結(jié)了三種電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑@三種模式都基于真實(shí)問題情境設(shè)計(jì)教學(xué)，再根據(jù)實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)一系列讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)思考、身心參與到活動(dòng)中的探索式學(xué)習(xí)子目標(biāo)，形成多層次的目標(biāo)體系，以達(dá)到教學(xué)目的，讓學(xué)生從被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探索者，教師從灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和幫助者。

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