高中物理實驗教學(xué)中STEM教育理念的應(yīng)用

彭大琴

摘 要：STEM教育理念是在教育領(lǐng)域中提出的一種新興的教學(xué)理念，是指科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相結(jié)合的一種教學(xué)模式。通過這一教學(xué)模式的運用，不僅可以強化學(xué)生對物理實驗知識與技能的掌握，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生在物理實驗中養(yǎng)成較好的思考習慣和獨立思考的能力。文章以 STEM教育理念為指導(dǎo)，結(jié)合當前我國高中物理實驗教學(xué)的實際情況，探索把 STEM思想移植到實驗教學(xué)中的策略。

關(guān)鍵詞：高中物理；實驗教學(xué)；STEM教育理念

隨著我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展，在高中物理教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)與能力，是當前高中教育工作的重中之重[1]。在高中物理教學(xué)中，物理實驗是提高學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的一個重要手段。STEM教育理念作為一種新的教學(xué)理念，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，強調(diào)跨學(xué)科學(xué)習，讓學(xué)生在實際問題中發(fā)現(xiàn)和解決問題。在高中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用STEM教育理念，不僅能夠激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)習的興趣，還能夠培養(yǎng)他們獲取知識、解決問題的能力。

一、關(guān)于“STEM教育理念”

（一）STEM教育

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科英文首字母的縮寫，它的中心思想是“以學(xué)生為中心”和“跨學(xué)科”，即從“科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)”四個方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。STEM教育是指在教師指導(dǎo)下，由學(xué)生組成學(xué)習共同體，通過探究、合作完成一個或多個具有綜合性、探索性、創(chuàng)造性的問題解決的過程。在這個過程中，學(xué)生之間相互合作，共同探索問題解決方案。通過這個過程培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和解決問題的能力以及創(chuàng)新精神。關(guān)于STEM的概念，學(xué)術(shù)界有三個不同的認識：一是“后設(shè)”，即在完成與STEM有關(guān)的教學(xué)后，再將STEM的知識綜合應(yīng)用到教學(xué)中，兩者是平行的。第二類是單獨的，它是將STEM的相關(guān)知識整合在一起，取代了傳統(tǒng)STEM的教學(xué)模式。第三種觀點認為STEM教學(xué)是一種在傳統(tǒng)教室中應(yīng)用的學(xué)習策略，旨在使學(xué)生在現(xiàn)實生活中綜合應(yīng)用所學(xué)到的知識。文章將探討在傳統(tǒng)的分科教學(xué)中，STEM教學(xué)思想的運用，使學(xué)生能將所學(xué)的學(xué)科知識結(jié)合起來以解決問題。比如：在物理摩擦方面，學(xué)生可以自行設(shè)計摩擦測試的方法，自己動手做一臺滑摩力演示裝置，這樣既能提升學(xué)生的物理素質(zhì)，又能提高他們的工程技術(shù)和數(shù)學(xué)能力。

（二）STEM教育理念

STEM教育是一種強調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)（Science，Technology，Engineering，Mathematics）之間密切聯(lián)系的教育模式，其目的是培養(yǎng)學(xué)生在未來社會中解決實際問題的能力。在這種教育理念下，科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)，四大學(xué)科門類之間相互滲透、相互融合，通過探究式教學(xué)（InquiryTeaching）和項目學(xué)習（Project-based learning）等途徑開展的學(xué)習活動。因此，STEM教育中的“STEM”不是指單一的學(xué)科或領(lǐng)域知識，而是指將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)相融合的一種跨學(xué)科的綜合教育模式。STEM的核心理念是把科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四大學(xué)科有機地結(jié)合起來，以問題為中心，主動探索，增強現(xiàn)實與知識規(guī)律的聯(lián)系，提高學(xué)生的多學(xué)科解題能力。在STEM教學(xué)思想指導(dǎo)下，學(xué)生可以對所遇到的問題進行分析，將所學(xué)知識進行系統(tǒng)化，將各個學(xué)科之間的知識規(guī)則結(jié)合在一起，形成自己的理論。STEM教育理念應(yīng)用到學(xué)生的學(xué)習中，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，通過動手做、完成項目等活動，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。STEM教育理念中強調(diào)實踐和體驗是重要組成部分，將動手實踐活動貫穿于整個課堂中，讓學(xué)生在動手實踐過程中來培養(yǎng)自己的動手能力和創(chuàng)造力。學(xué)生在獲得知識和技能的同時也獲得了更多獨立思考、合作交流、動手操作等方面的經(jīng)驗。

（三）STEM教育理念的特征

第一，注重學(xué)生的學(xué)習，注重學(xué)生在學(xué)習中的主體性，通過探究和合作學(xué)習，使學(xué)生通過探究和合作學(xué)習獲得知識和技巧。第二，跨學(xué)科。將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)作為一種教育元素融入教育教學(xué)中，使其相互融合，充分體現(xiàn)跨學(xué)科特征。第三，強調(diào)解決實際問題。把科學(xué)（實驗）和工程設(shè)計整合在一起，不僅能夠設(shè)計出巧妙地解決問題的方案，還能夠通過使用這些工具、技術(shù)、方法等解決實際問題。第四，以探究為核心。強調(diào)在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習的熱情，通過提出問題和設(shè)計實驗來促進學(xué)生的主動探索活動，引導(dǎo)他們自主發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。第五，注重過程體驗，以學(xué)生為中心，強調(diào)從體驗中獲得知識與技能。第六，突出項目學(xué)習。強調(diào)學(xué)生在真實的情境中運用知識和技能來解決實際問題，為他們提供與真實世界互動的機會。

二、高中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用STEM教育理念的價值

（一）強化物理實驗教學(xué)效果

物理實驗教學(xué)的目的就是讓學(xué)生在學(xué)習過程中獲得一定的知識和技能，通過實驗來驗證一些理論知識。在進行物理實驗教學(xué)時，應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的求知欲，使其更好地了解和認識物理。同時，教師還可以運用STEM教育理念，幫助學(xué)生分析、理解物理概念、定理和公式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習物理實驗課程的興趣和積極性。在對學(xué)生進行教學(xué)時，教師應(yīng)盡量避免枯燥乏味的教學(xué)方法和教學(xué)手段，提升物理實驗教學(xué)效果。

（二）有利于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

在高中物理教學(xué)中，應(yīng)通過對物理知識的正確使用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)造精神，從而促進學(xué)生的全面素質(zhì)的提升。在高中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用STEM思想，能夠提高學(xué)生的思考和動手能力。首先，STEM教育理念在高中物理實驗教學(xué)中可以幫助學(xué)生形成對事物本質(zhì)屬性的認識，引導(dǎo)他們深入地思考問題；其次，STEM教育理念在高中物理實驗教學(xué)中可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神，讓他們積極地去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題；最后，STEM教育理念在高中物理實驗教學(xué)中，可以培養(yǎng)學(xué)生的合作意識和團隊精神。這三方面對提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著重要作用。

（三）有利于學(xué)生的生涯規(guī)劃教育

高中物理實驗教學(xué)活動可以讓學(xué)生了解和掌握現(xiàn)代社會的發(fā)展需要，讓學(xué)生從客觀角度認識到社會對人才的需求，了解不同行業(yè)對人才的基本素質(zhì)要求，進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習物理學(xué)科的興趣，并且通過學(xué)習和探究提升自身的實踐能力[2]。從長遠角度來說，還可以加深學(xué)生對個人職業(yè)發(fā)展目標的認識與理解，幫助學(xué)生在未來選擇與自身相符合的職業(yè)。例如：通過設(shè)計一款新型火箭模型來激發(fā)學(xué)生學(xué)習物理實驗的興趣和熱情，讓他們在探究知識和解決問題的過程中認識到自身需要努力奮斗的目標，使學(xué)生具備科學(xué)、理性地開展生涯規(guī)劃教育，培養(yǎng)未來人才所具備的素質(zhì)和能力。

三、高中物理實驗教學(xué)中STEM教育理念教學(xué)現(xiàn)狀

（一）物理教學(xué)和STEM教育理念相脫節(jié)

在物理實驗教學(xué)中，將STEM教育理念融入其中，能夠加強學(xué)生對物理實驗的興趣，但是目前在實際的高中物理實驗教學(xué)過程中，教師并沒有將STEM教育理念有效滲透到物理教學(xué)過程當中，導(dǎo)致學(xué)生對這一教學(xué)理念學(xué)習的興趣不高。這主要是由于教師在設(shè)計物理實驗課時存在一定的問題，教師沒有根據(jù)學(xué)生對該科目的學(xué)習能力和學(xué)習水平制訂相應(yīng)的教學(xué)方案。同時，教師并沒有根據(jù)這一課程特點加強對學(xué)生實踐能力方面的培養(yǎng)。此外，教師沒有認識到STEM教育理念在提高學(xué)生綜合素質(zhì)方面所發(fā)揮出的重要作用，導(dǎo)致在開展高中物理實驗教學(xué)時不能合理地將STEM教育理念應(yīng)用到其中。因此，這在一定程度上阻礙了STEM教育理念在物理教學(xué)過程中作用的發(fā)揮。

（二）缺乏有效的教學(xué)設(shè)備

在實際的高中物理實驗教學(xué)過程中，STEM教育理念的運用受其硬件設(shè)備的影響，目前高中物理實驗教學(xué)中并不能有效利用該理念進行教學(xué)，這主要是由于這種先進教學(xué)理念和技術(shù)并不是每個學(xué)校都有[3]。目前來看，許多學(xué)校已經(jīng)有了多媒體教學(xué)設(shè)備，但大部分情況下，這些設(shè)備都是教師用來輔助教學(xué)的，學(xué)生無法接觸先進的物理實驗儀器，導(dǎo)致他們在日常學(xué)習過程中無法對這些實驗儀器產(chǎn)生一定印象，所以如果不能有效地利用多媒體技術(shù)等先進技術(shù)來輔助物理實驗課程的話，STEM教育理念的應(yīng)用效果就會受到一定影響。

（三）物理實驗不能充分體現(xiàn)出STEM理念

從目前的物理實驗課程開展情況來看，并不能將STEM教育理念體現(xiàn)出來，很多教師在教學(xué)的過程中，只是一味將實驗操作教學(xué)進行下去。比如：在對學(xué)生進行基本實驗操作訓(xùn)練時，并不能真正地運用STEM教育理念中所蘊含的相關(guān)知識內(nèi)容，很多教師只是簡單地將物理實驗進行下去，并沒有將其融入STEM教育理念中，因此學(xué)生所獲得的知識并不能真正體現(xiàn)STEM教育理念所蘊含的價值，最終產(chǎn)生厭學(xué)情緒，對物理實驗課程失去興趣。

四、STEM理念在高中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用路徑

（一）STEM教育理念下演示實驗教學(xué)策略

演示實驗是一種直觀的教學(xué)方法，它有別于小組實驗、專題研究，它是教師演示物理實驗的基礎(chǔ)。然而，這種教學(xué)方法也有其不足之處：學(xué)生對知識的吸收比較慢，缺乏積極的提問與思考，缺乏創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。針對這一問題，在實驗示范環(huán)節(jié)，采用學(xué)生做示范，由學(xué)生代為完成全部操作，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，增強學(xué)生的自信心。學(xué)生上臺操作，這是一個很好的實踐活動，既可以使學(xué)生掌握實驗過程，又可以培養(yǎng)他們的動手能力，使他們更好地了解實驗的效果。此外，學(xué)生親自動手做實驗，可以增強學(xué)生的參與感，營造良好的課堂氛圍；同時也有利于學(xué)生的精神高度集中，學(xué)生通過操作步驟，質(zhì)疑，加深對實驗所學(xué)知識的認知。實驗結(jié)束后，由教師指導(dǎo)，由學(xué)生自己進行總結(jié)，以提高學(xué)生的參與感、體驗感。例如：“互感現(xiàn)象”實驗要求1個MP3、2個磁芯線圈（L1、L2）、1個音頻和2名學(xué)生做實驗。學(xué)生A在一個線圈L1上連接MP3的輸出，學(xué)生B連接到另外一個線圈L2上。在學(xué)生A放音樂的時候，里面?zhèn)鱽砹艘皇赘?。兩名學(xué)生調(diào)節(jié)兩個線圈的間隔，改變音響中的聲音狀態(tài)。此時，學(xué)生可能會感到驚奇，而且會產(chǎn)生這樣的疑問：這是怎么回事？教師順勢引入“互感現(xiàn)象”這個概念，讓學(xué)生在實驗過程中對現(xiàn)象進行仔細觀察和思考，最終了解“互感現(xiàn)象”的表象和本質(zhì)。通過演示和實驗，使學(xué)生能夠更好地掌握新知識，并促使學(xué)生的學(xué)習積極性得到充分調(diào)動。所以，要轉(zhuǎn)變教學(xué)思維方式，繼續(xù)探究新的教學(xué)模式，讓學(xué)生親身體驗，提高他們的自學(xué)能力。

（二）STEM教育理念下小組實驗教學(xué)策略

雖然傳統(tǒng)的分科教學(xué)方式對教師進行授課有利，但是在綜合應(yīng)用學(xué)科知識方面卻存在著一定的劣勢。隨著分科教學(xué)的弊端呈現(xiàn)，學(xué)科整合已經(jīng)是一個新的發(fā)展方向。因此，在組織學(xué)生開展團體實驗時，應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生運用跨學(xué)科知識，以解決目標問題，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維的STEM特征。例如：在進行“雙縫干涉法測光波長”這一內(nèi)容的教學(xué)時，可以讓學(xué)生動手自己組裝雙縫干涉裝置，以幫助學(xué)生更好地理解工程知識，讓其工程學(xué)思想得到培養(yǎng)；在“測汽車速度與時間的關(guān)系”部分，通過所獲得的圖片，推導(dǎo)出相應(yīng)的公式，學(xué)生的綜合運用能力得到了提高；在“單擺測重力加速度”部分，學(xué)生可以制作一只單擺的模型；在全反射區(qū)，學(xué)生可以制作一個潛望鏡。通過團體實驗，可以更好地促進學(xué)生的學(xué)科融合，從而運用不同的學(xué)科知識，更好地解決實際問題。

（三）STEM教育理念課題研究教學(xué)策略

教師出示下列短片：一個人在公路上散步、奔跑、站在一輛高速行駛的敞篷車里，可以看到他受到的阻力在不斷增加；鳥類的外形差不多，鳥類在空中所受的阻力也不大；狂風過后，小樹比大樹倒得多得多。教師在學(xué)生看了錄像之后，請學(xué)生就每個短片所展示的問題進行討論，找出有價值的地方，并給出原因。例如：學(xué)生提出的題目是關(guān)于“物體所受氣流阻力的大小與速率”的關(guān)系。教師接著講，在這個實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，氣流的阻力和對象的尺寸和形狀有關(guān)[4]。所以，在研究物體受到的空氣阻力和速度之間的關(guān)系時，還需要考慮其他的因素。在此基礎(chǔ)上，可以氣球為實驗?zāi)繕耍⑾嗤臍馇蝮w積維持在恒定的狀態(tài)，來探討球狀物體在空中飛行時的阻力與速度之間的定量關(guān)系。教師要求學(xué)生做一個關(guān)于“氣球著陸”的游戲。也就是說，把一個物體掛在氣球的底部，讓它自由地下降，這樣，學(xué)生通過觀察它的動作來判斷它的速度。然后，教師讓學(xué)生分組討論如何計算氣球的速度。根據(jù)上述的理論最終得出：在空中飛行時，氣球受到的阻力與其速度是成比例的。由此可以推測，球體受到的空氣阻力和其移動速度是成比例的。

結(jié)束語

STEM教育思想在高中物理實驗教學(xué)中的運用，對高中物理實驗教學(xué)產(chǎn)生了深刻的影響，能夠促進高中物理實驗教學(xué)實踐和STEM教育的實施。但是，教師還需要構(gòu)建相應(yīng)的課堂模式、教學(xué)方法，使其發(fā)揮應(yīng)有作用，同時，也要在實踐中不斷總結(jié)和反思。將STEM教育理念與物理實驗教學(xué)相融合是一種必然趨勢。

參考文獻

[1]劉小琴.STEM教育在初中物理電路部分教學(xué)中的實踐研究[D].南充：西華師范大學(xué)，2018.

[2]張屹，趙亞萍，何玲，等.基于STEM的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計與實踐[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2017（6）：75-84.

[3]吳曉天.基于高中物理實驗活動的STEM教育實踐[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2017.

[4]劉燁.STEM理念下的物理創(chuàng)新實驗校本課程開發(fā)和研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2017.