基于STEM 理念下高中物理實驗教學分析

李江珊

（甘肅省武威第一中學，甘肅武威 733000）

STEM 即科學、技術(shù)、工程、數(shù)學的統(tǒng)稱，指向?qū)W生科學思維、技術(shù)能力、工程素養(yǎng)、數(shù)學品質(zhì)的培養(yǎng)，與高中物理教學目標不謀而合。在STEM 理念影響下，教師在設(shè)計并組織高中物理實驗教學活動的過程中應(yīng)加強對學生用科學知識、技術(shù)手段、工程理念、數(shù)學思維解釋并表達物理現(xiàn)象能力的培養(yǎng)，應(yīng)注意多學科知識的融合、創(chuàng)造多形式教學活動，同時加強對科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等領(lǐng)域教學手段的運用。

一、STEM 理念下的高中物理實驗教學優(yōu)勢

STEM 教育理念下開展高中物理實驗教學主要有以下優(yōu)勢：能夠增強學生物理實驗興趣、可以深化學生物理實驗?zāi)芰?、有助于促進學生自主探究知識。將STEM 理念運用在高中物理實驗教學活動中實際上就是融入科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等手段組織課程活動，是對傳統(tǒng)教學模式、課程結(jié)構(gòu)的顛覆性改革，能夠為學生帶來更多新鮮感。此時在新鮮感的作用下，學生必然會對課堂活動更感興趣，從而增強對實驗的參與熱情。再者，由于融入了科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等多學科知識，STEM 理念下的高中物理實驗內(nèi)容、形式也更加豐富，這可以讓學生在參與的過程中增強興趣和探究欲望，從而逐步提高學生的實踐操作能力。

二、STEM 理念下的高中物理實驗教學方法

（一）豐富概念教學，奠定實驗基礎(chǔ)

對物理概念形成科學認識和正確理解，是學生在實驗中做出正確操作、得出客觀結(jié)論的基礎(chǔ)，學生只有準確理解物理學科的基本概念，才能在實驗中利用概念解釋物理現(xiàn)象、解決物理問題。因此，高中物理教師應(yīng)首先豐富概念教學，提升概念教學的質(zhì)量和有效性。簡單來說，教師應(yīng)該在STEM 環(huán)境下加強對學科概念的講解，利用科學、工程、數(shù)學等領(lǐng)域豐富的材料說明教材知識，引導學生對教材介紹的理論展開科學思考，幫助他們對相關(guān)內(nèi)容形成正確理解。憑借這一方式，學生能夠從多學科角度解讀物理概念，并對物理概念的理解更為深入且全面。但是縱觀當前高中物理實驗教學活動，大多數(shù)教師沒有在實驗正式開始之前講解足夠豐富的概念知識，也沒有引導學生對教材概念展開更深入的科學思考，只是向其提出記憶概念的要求。在這樣的狀態(tài)下，學生難以在概念學習中形成良好的科學思維、無法對教材提及的物理現(xiàn)象產(chǎn)生足夠科學的認識并對如何做實驗形成明確認識，自然難以在后續(xù)實驗操作環(huán)節(jié)有更科學的操作，其物理科學素養(yǎng)得不到更好發(fā)展。這直接提醒教師應(yīng)合理利用科學、數(shù)學、工程、技術(shù)等知識內(nèi)容解釋教材概念，通過建立數(shù)學模型、編寫技術(shù)程序等方式理解物理概念、應(yīng)用物理概念，幫助學生建立更科學的概念知識體系。另外，在實驗教學中教師也要鼓勵學生利用建模等手段借助物理概念解釋實驗中出現(xiàn)的具體現(xiàn)象。這樣一來，隨著所掌握的概念不斷增多，學生的科學思維逐漸深化，自然能夠在實驗中有更好的表現(xiàn)，進一步通過實驗操作提升自身物理素養(yǎng)。

（二）運用技術(shù)手段，還原實驗過程

在現(xiàn)代化和智能化的教育背景下，物理實驗教學迎來了新的發(fā)展機遇，因此在STEM 理念下的高中物理實驗教學必須加強對現(xiàn)代化技術(shù)手段的運用。利用虛擬現(xiàn)實和智慧教室等現(xiàn)代化的技術(shù)手段還原實驗過程，能夠幫助學生更直觀地認識實驗操作過程和現(xiàn)象，讓他們對自己應(yīng)如何操作形成更具體的理解。緊接著，融入技術(shù)手段開展實驗操作，引導學生進入動手操作環(huán)節(jié)，并在操作的過程中不斷加強對技術(shù)手段的運用分析，由此將學生的技術(shù)素養(yǎng)提升到新的層次。具體來說，高中物理教師在組織課程活動時可以適當融入技術(shù)手段，如通過技術(shù)手段在多媒體工具中展示實驗操作過程。通過直觀展示，對實驗的每一步需要怎樣操作、如何利用技術(shù)處理操作細節(jié)，學生均能形成更清晰的理解，進而提升自身實驗操作的有序性、科學性、技術(shù)性。然而就目前來看，大多數(shù)教師在該方面表現(xiàn)得并不是很好，更習慣在課堂上以示范操作向?qū)W生解釋如何做實驗，忽視了對技術(shù)手段的合理運用，并且不注意控制示范操作速度和標準度，導致學生對一些細節(jié)性操作認識不夠，影響了他們的操作標準度和規(guī)范性。面對該問題，為了更好地借助高中物理實驗教學活動培養(yǎng)學生物理素養(yǎng)、技術(shù)能力，教師必須在提升個人實驗技能和掌控信息素養(yǎng)的基礎(chǔ)上積極運用技術(shù)手段組織教學活動。甚至在條件允許的情況下，教師還可以借助技術(shù)組織模擬實驗操作，讓學生在多媒體、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)工具的支持下進行模擬仿真操作，進而促使他們在不斷加強技術(shù)運用和實踐動手操作能力的同時提高自身的綜合素養(yǎng)。

（三）提出研究課題，創(chuàng)設(shè)實驗情境

基于STEM 理念組織高中物理實驗教學活動，結(jié)合物理知識和STEM 理念提出研究課題、針對課題創(chuàng)設(shè)情境也是一個不錯的選擇，值得教師進行嘗試。在高中物理實驗教學中，面對基于STEM 理念提出的研究課題，在教師引導下充分調(diào)動主觀能動性思考相應(yīng)問題，學生可以輕松地對在實驗中應(yīng)該做什么、需要在實踐操作中驗證哪些物理知識形成客觀認識。在此基礎(chǔ)上，實驗的目的性和針對性不斷加強，學生也能有序地參與到實驗活動中。同時，在實驗情境的引導下，學生一邊觀察、分析情境內(nèi)容，一邊從中發(fā)現(xiàn)值得研究的物理現(xiàn)象，從而自主定位研究課題，這能夠?qū)W生的物理思維、科學探究能力、邏輯分析素養(yǎng)提升到新的層次。但分析當前高中物理實驗教學活動，我們不難發(fā)現(xiàn)仍舊有一部分教師在課堂上選擇直接組織學生做實驗的方法，并未提前引導他們對研究課題展開討論，更沒有積極創(chuàng)設(shè)可以使其自主發(fā)現(xiàn)研究課題的情境。這使得學生的實驗操作是較為被動的，限制了學生各項能力素養(yǎng)的發(fā)展。因此，在創(chuàng)新和調(diào)整高中物理實驗教學活動的過程中，教師應(yīng)在深度研究物理課程教學內(nèi)容以及實驗教學標準的基礎(chǔ)上提高對研究課題與情境創(chuàng)設(shè)的重視程度，根據(jù)實際情況擬出恰當?shù)恼n題，主動在學生實驗操作之前提出課題并引導他們討論課題。在課題的引領(lǐng)下，教師可以創(chuàng)設(shè)生活化、探究化的實驗情境，為學生創(chuàng)造自由開放的實驗環(huán)境。長此以往，學生在實際情境中驗證學科知識、感受實驗操作魅力，STEM 教育情境性得以滿足，整體教學有效性得以增強。此外，學生對于物理知識在現(xiàn)實生活中的作用也更為了解，能積極調(diào)動數(shù)學、技術(shù)等方面的知識解決實驗問題。

（四）自主設(shè)計實驗，融入工程理念

無論是新課程改革還是STEM 理念教育要求，都以培養(yǎng)學生自主思維和能力為主要目標。這意味著高中物理STEM理念影響下的實驗教學活動應(yīng)加強對學生自主性的關(guān)注和引導，讓學生自主設(shè)計實驗并進行操作。同時，為滿足STEM 對培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)提出的要求，還應(yīng)該在教學過程中融入工程理念，提醒學生融入工程思維、建構(gòu)實驗?zāi)Ｐ汀；诖四Ｊ綄W生的自主性和積極性不斷增強，他們既能通過自主實驗掌握基礎(chǔ)的實驗技能，也能在實驗的過程中合理地應(yīng)用數(shù)學、技術(shù)等學科知識，進而探索出物理實驗的最終結(jié)果。這種實驗?zāi)Ｊ教嵘宋锢韺嶒灲虒W的有效性，也契合物理教學的實際發(fā)展趨勢。然而在當前高中物理實驗教學活動中，工程理念的融入和學生自主參與的積極性都存在明顯的不足。一些教師在課堂上一味地引導學生按照教材介紹的操作步驟建構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?，沒有鼓勵學生自主探究其他模型建構(gòu)方法，導致學生的實驗操作缺少自主設(shè)計，降低了學生對實驗操作樂趣的感知，從而影響了整體教學效果，阻礙了學生工程素養(yǎng)的發(fā)展。因此，為讓課程效用充分地發(fā)揮出來，高中物理教師在組織實驗教學活動的過程中應(yīng)該充分尊重學生自主性，在做好理論教學的基礎(chǔ)上鼓勵學生自主設(shè)計實驗操作并融入工程理念建構(gòu)物理模型，促進二者的有機結(jié)合，進而增強學生的理性思維和多元思維，讓他們掌握物理實驗的創(chuàng)新方法。這樣一來，在自主設(shè)計中學生能夠加深對知識的理解，并通過融入工程理念實現(xiàn)對實驗操作的遷移思考，提高自身的綜合學習能力。

（五）啟發(fā)數(shù)學思維，實證推進實驗

高中階段的物理教學需要學生具備綜合性的思維，而物理中蘊含著大量數(shù)學知識，大部分實驗都需要應(yīng)用數(shù)學邏輯思維來解決，如果教師能夠基于STEM 教育理念將數(shù)學知識融入實驗教學中，那么物理實驗教學的進程將會發(fā)展得十分迅速。因此，基于STEM 理念設(shè)計高中物理實驗教學活動還需要啟發(fā)學生的數(shù)學思維，引導學生根據(jù)具體的物理實驗內(nèi)容選擇對應(yīng)的數(shù)學學習方法展開實驗，帶領(lǐng)他們在數(shù)學實證中推進實驗操作、驗證教材理論。通過應(yīng)用數(shù)學邏輯思維進行實證推理，最終得出與教材理論相符的結(jié)論，學生不僅可以加強對學科知識的理解和認識，還能繼續(xù)深化自身數(shù)學邏輯思維，提升數(shù)學邏輯推理能力和科學實證素養(yǎng)。但是就目前來說，大多數(shù)教師設(shè)計的物理實驗活動與數(shù)學相脫離，他們沒有在課堂上及時啟發(fā)學生運用數(shù)學思維思考實驗操作問題，也沒有主動引領(lǐng)學生用數(shù)學實證手段推理結(jié)論。在該情況下，學生雖然可以通過基礎(chǔ)操作得出正確的結(jié)論，加深對物理知識的理解，卻難以正確認識數(shù)學思維在物理學習活動中的重要意義，無法在實驗操作中更好地提高數(shù)學邏輯思維能力。對此為了進一步規(guī)避該問題，高中物理教師必須在組織實驗教學活動時積極融入數(shù)學思維，以數(shù)學教學中的數(shù)形結(jié)合思想、方程計算公式等元素作為輔助物理實驗的內(nèi)容，及時啟發(fā)學生利用數(shù)學思維思考、驗證問題，讓他們尋求物理實驗的簡便方法，并能得出正確的實驗結(jié)果。久而久之，在數(shù)學、物理與實驗的不斷融合中，學生的數(shù)學素養(yǎng)、物理品質(zhì)自然能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同提升。

（六）記錄實驗數(shù)據(jù)，進行科學分析

總結(jié)和分析是物理實驗中的重要環(huán)節(jié)和步驟，教師如果能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行綜合分析并找出其中存在的問題，那么在日后的教學中便能集中解決問題，以此提升實驗教學的效果。以此為根據(jù)，基于STEM 理念的高中物理實驗活動，教師應(yīng)加強對學生記錄實驗數(shù)據(jù)和科學分析各項內(nèi)容的指導。這是因為高中階段的物理實驗教學活動不僅是為了讓學生做實驗、動起來，更是為了培養(yǎng)他們的運用并理解科學知識的能力，進而培養(yǎng)學生積極的科學探究意識和良好的科學分析能力。因此在實踐操作過程中，高中物理教師應(yīng)提醒學生細致記錄各項數(shù)據(jù)，通過實驗記錄冊或者電子文檔的形式將實驗中出現(xiàn)的各項數(shù)據(jù)分門別類地記錄下來，并引導、幫助他們深入分析各項數(shù)據(jù)傳遞出來的信息，了解實驗中存在的具體問題或者遺漏點。然而事實上大多數(shù)教師在現(xiàn)階段組織高中物理實驗教學活動時存在學生未及時、準確記錄實踐操作數(shù)據(jù)以及師生缺乏對數(shù)據(jù)的嚴謹分析等問題。一些教師只是要求學生結(jié)合自己看到的現(xiàn)象闡述結(jié)論，沒有要求他們根據(jù)自己獲得的數(shù)據(jù)分析結(jié)論。在該狀態(tài)下，學生對現(xiàn)象的思考和認識停留在表層，不僅無法很好地提升科學分析素養(yǎng)，甚至還會出現(xiàn)物理探究能力發(fā)展受限的情況。因此，無論是從規(guī)避上述問題的角度出發(fā)，還是站在提高STEM 理念下高中物理實驗綜合教學水平的立場上，教師都應(yīng)該在組織活動時嚴格帶領(lǐng)學生記錄并分析數(shù)據(jù)，鼓勵他們將記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)作為常規(guī)化的學習活動，以激勵教育的形式考核和評價他們記錄和分析數(shù)據(jù)的真實能力，同時加強對數(shù)據(jù)分析的科學性控制，以便更好地實現(xiàn)對其科學素養(yǎng)的培養(yǎng)，增強物理實驗教學的效果。

三、結(jié)語

總而言之，新課程改革要求高中基礎(chǔ)教育培養(yǎng)全面發(fā)展型人才，STEM 與高中物理實驗教學的融合是必然之舉。基于STEM 理念組織高中物理實驗教學活動，有助于增強學生物理實驗興趣、促進學生自主探究知識并深化他們的動手操作能力，最終借助實驗教學實現(xiàn)培養(yǎng)學生良好科學、數(shù)學、技術(shù)、工程素養(yǎng)的綜合性教育目標。高中物理教師在設(shè)計、組織教學活動時應(yīng)加強對STEM 理念的分析與對應(yīng)創(chuàng)新教學手段的運用，以便更好地優(yōu)化高中物理實驗教學，促使學生在STEM 視角下各項基礎(chǔ)素養(yǎng)獲得均衡發(fā)展。