基于STEAM理念的初中物理橫向結構規(guī)律教學探析

蔣登鋒

（遵義師范學院附屬實驗學校 貴州 遵義 563000）

初中生八年級才開始接觸物理，對新的學習領域充滿好奇。作為教育工作者需要在初中階段培養(yǎng)學生對物理學科的學習興趣，讓學生由淺入深、由簡到繁的學習過程中保持對物理學科的新鮮感。初中生雖然剛接觸物理學科，但通過小學六年和初一的基礎學習，已初步建立起對語文、數學、英語、科學等基礎學科的知識框架，但學科間橫向聯(lián)系零散，不夠深入。同時，生活經驗也為學生學習物理建立了一定的感性認識，只是通過生活經驗建立起的感性認識不系統(tǒng)，不全面，有的認識甚至和物理本質存在較大偏差。

STEAM 理念是突破學科界限的教育理念，在物理學科教學時，如能基于學生已學學科知識和通過生活經驗建立起的感性認識整合認知，不但能深入對已學知識的理解，還能在很大程度上減輕學生面對新學科的心理負擔，順利由已學知識過渡到新的知識領域。但這需要新時代的物理教師能跳出物理學科思考物理問題，要求教師具備更全面、更深入的多學科融合教學能力，這也正好順應了習近平總書記提倡的“四有好老師”理念。下面我將通過物理教學實例，基于STEAM理念培養(yǎng)初中學生對物理橫向結構規(guī)律認識的闡述，在學習中找規(guī)律，在規(guī)律中促進對物理知識結構框架的建立與理解，形成良好的學習思維習慣，為高中的進一步學習奠定良好的基礎。

1.通過物理語言教學建立起與英語的學科融合

物理符號與英語學科聯(lián)系較為緊密，概念和單位的符號是物理語言的重要組成部分，數據必須搭配準確的單位才能表達正確的物理量，這對學習物理過程中培養(yǎng)嚴謹的邏輯思維至關重要。同時，初中階段的物理符號多而復雜，這對學習物理增加了一定難度。但分析初中物理符號可發(fā)現(xiàn)有很強的規(guī)律，具體如下：

（1）物理概念的符號來源

物理概念的教學從物理與英語或其他語言類學科橫向聯(lián)系入手，如八年級重要的物理概念有速度、質量、力、壓強、功、功率等，而對應的物理概念的英文單詞分別為velocity、mass、force、pressure、work、power，以上物理概念的國際符號均源于其英文單詞首字母，分別為v、m、F、w、p。

（2）物理單位的符號來源

單位的命名與概念符號類似，都用對應英文（或其他語言）單詞首字母，比如時間單位小時、秒，英文單詞分別為hour、second，首字母h、s 作為其國際單位符號，包括長度單位米m（metr）、質量單位克g（gramme）；另一類則是為了紀念對應領域有突出貢獻的物理學家，如：力的單位牛頓（Newton）、功的單位焦耳（Joule）、功率的單位瓦特（Watt）國際符號N、J、W 均源于科學家英文名首字母。如果不同物理概念的單位單詞首字母相同，則往往順延至第二個字母加以區(qū)別，如壓強單位帕斯卡Pa（Pascal），時間單位分鐘min（minute）。學生搞清楚了物理定義及單位命名原則后，每學習新的物理量時都可以通過以上規(guī)律去自主探索，不但能通過自主學習搞清楚物理定義，更能深層次了解相關物理知識背后的故事及發(fā)展史，培養(yǎng)對物理學習的興趣。

（3）物理前綴組合單位

除了基本單位，復合單位也是物理學中常見的形式。很多復合單位都是通過前綴而來，區(qū)別于中國文化的個、十、百、千、萬進制，英語則是每3 位數為一個數量級進制，沒有“萬”這一單獨數量級。比如：基本單位往上依次是千（Kilo）、兆（Mega）、吉（Giga）、太（Tera）、拍（Peta）、艾（Exa）、澤（Zetta）、堯（Yotta），每相鄰兩位之間的進制均為103，既數量級103、106、109、1012、1015、1018、1021、1024。常用對應首字母作為前綴符號。如“千”（kilo）的前綴符號為“K”：長度千米kilometr 縮寫為Km、質量千克kilogramme 縮寫為Kg，類似的還有Kb、KPa、KJ 等，只要在單位符號加前綴“K”就表示數量級“千”的意思。生活中用得比較多的有數據流量或數據內存單位比特（Binary digit），符號為單詞首字母“b”。大家也比較熟悉其前綴，如Kb、Mb、Gb、Tb，而Tb 基本就是目前較大數據儲存單位了，既1012比特。

基本單位往下依次是毫（milli）、微（Micro）、納（Nano）、皮（Pico）、飛（Femto）、阿（Atto）、仄（Zepto）、幺（Yocto），既數量級10-3、10-6、10-9、10-12、10-15、10-18、10-21、10-24，但生活中常用的毫、微、納級，對應單詞Milli、Micro、Nano，首字母或縮寫前綴符號分別為m、μ、n，比如長度單位米、毫米、微米、納米符號分別為m、mm、μm、nm，質量單位克、毫克、微克、納克，對應符號分別為g、mg、μg、ng，體積的單位升、毫升分別為L、mL。以此類推，我們遇到的基本單位加對應前綴符號即可表達對應的數量級單位，同時明確它們之間的換算關系既相鄰兩位均為10-3。另外，數量級百（102、Hecto）、分（十分之一、10-1、Deci）、厘（百分之一、10-2、Centi）在生活中也較為常用，如氣壓百帕（hPa），聲音單位分貝（dB），長度單位分米（dm）、厘米（cm）都是在基本單位加前綴d（分）、h（百）、c（厘）。初中學生掌握了單位前綴規(guī)律，在后續(xù)的單位教學中通過自主探索、推理即可掌握相關知識，學習、理解都非常輕松。為自主探究和學習夯實基礎，培養(yǎng)對物理的學習興趣。

2.夯實數學物理方法，加強與數學的學科融合

小學階段數學應用題里就需要大量物理模型作為研究基礎，比如速度相關計算。而小學階段數學里涉及到的面積、體積的計算為初中物理壓強、密度等知識的理解也起到關鍵作用。只是數學重在計算，既數字之間的邏輯關系，而物理是一門實驗科學，重視理性和邏輯推理學科，如能在已學數學的基礎上展開物理教學，則可減小學生面對新學科的心理壓力，同時物理的學習也可發(fā)揮數學知識的應用，只是要厘清數學與物理的學科語言區(qū)別，教學中需要注重以下方面的指導：

（1）靈活運用公式與單位的組合關系

復合單位除了前綴組合，另一種方式就是根據公式推導組合，常見的有乘積關系和比例關系。通常用“/”表示比例關系，用“·”表示乘積關系。比如速度的定義公式，根據公式用路程的單位（m、Km）與時間的單位（s、h）比值表達即可，既m/s 或Km/h，類似的單位還有密度單位Kg/m3、熱值單位J/Kg（J/m3）等。此外，乘積關系容易和比值關系混淆，比如功的推導單位N·m 源于其公式W=FS,同時也可以通過W=Pt 推導出另一個單位W·s 或Kw·h（度），從物理學角度1N·m=1W·s=1J，理解這種復合單位組合方式后也可以根據單位反過來推導其計算公式。比如根據電功的單位V2s/Ω 可以反過來推導計算公式為=。學生真正理解這一規(guī)律后，教學中就無需再花過多進行復習，同時對知識可以達到更深層次的理解。

（2）注意解答過程中區(qū)別與數學的表達方式

數學與物理的解題過程側重點是有區(qū)別的，數學注重數字邏輯關系，解答題具體表達過程中需將具體計算過程表示出來，而物理則注重理性和邏輯推理，解題時必須注明依據（公式），帶入數據時順序必須按照公式中符號對應順序，不需要呈現(xiàn)具體計算過程，既格式三部曲：公式（表達式）→帶入數據→得出結果。另外，物理表達式對標量和矢量乘積符號也有嚴格要求，初一數學已經學過乘積符號有“·”“×”或省略三種形式，但解答過程中常出現(xiàn)格式書寫不規(guī)范現(xiàn)象。物理公式中乘積關系往往習慣省略乘積符號，如：W=FS、S=vt 等。而帶入具體數據的過程就只能使用“×”符號，例：W=I2Rt=（0.1A）2×5Ω×10s=0.5J， 若書寫為（0.1A）2·5Ω·10s=0.5J 則不正確。物理學中“·”號一般使用在單位符號中，比如：電功的單位有V·A·s。

（3）注意涉及指數冪計算時正確書寫方式

物理數據處理時要注意單位的指數冪表達，數據和單位是一個整體。比如邊長為0.2m 物體的面積、體積計算時，應在邊長數據基礎上對包括數據和單位進行完全平方、完全立方，例：S=a2=（0.2m）2=0.04m2，V=a3=（0.2m）3=8×10-3m3。再比如電功的計算，牽涉指數冪公式有W=I2Rt 在代入數據時也要注意電流數據代入時需括號平方。例：W=I2Rt=（0.1A）2×5Ω×10s=0.5J。物理應用較多的則是根據用電器名牌計算有關數據，例：計算規(guī)格為“PZ220-1000”用電器的電阻，書寫為48.4Ω。

（4）注重數學基礎方法在物理學中的應用

STEAM 教育更多強調互動與實踐，為學生提供探索學習的路徑，這樣學生的思維才能充滿活力，也能基于自身的創(chuàng)造去完成物理的學習，而不是單純的學習理論概念。本身初中物理課程中橫向結構率就是學習較為困難的部分，如若學生無法將所學的物理知識串聯(lián)在一起，運用到實際的生活之中，學生的思維能力與物理素養(yǎng)都無法得到有效培養(yǎng)，這就失去了開展STEAM 教育的實際意義。很多學生對物理公式變形、坐標理解、推理邏輯上理解困難，而這些都是建立在數學化簡、函數、坐標、指數冪、解方程等數學方法上。一些學生能熟練掌握數學里的移項、化簡，卻對物理中公式變形、單位推導犯難，物理解題時又經常使用x、y。這些都說明學生不能把數學與物理很好地融合。解決這一問題需要物理與數學教師加強聯(lián)合教研，深入學科融合教學，在數學學科教學時多把對應物理模型導入課例，物理課堂也多把對應數學方法進行教學，讓學生充分感受數學物理方法，理解數學的方法就是用來解決物理問題的，這樣既減輕了對物理的抽象壓力，同時也通過解決物理問題促進了對數學的理解。

3.通過規(guī)范物理語言建立起與語文的學科融合

在過去得物理教學中過度重視對數據的分析、處理，往往忽視了學生的表達能力。而初中階段應更多放在定性原則上，在建立了基本的物理模型后，將數據處理重心應放到高中階段進行定量分析。STEAM 教育不同于以往的任何一種教育理念，這是一種以學生的主體，讓學生通過知識遷移和應用占比，形成高階思維能力與創(chuàng)新能力的教學理念。教師一定要注重教學模式的創(chuàng)新，改變以往的教學理念，注重以學生為主體展開物理課堂的教學構建，以學生的學習需求為教學主體：讓學生獲得更多學習的方式，這樣學生的實踐能力與學科素養(yǎng)才能得到鍛煉。將語文學科的知識與初中物理STEAM 教育結合在一起，不僅能夠發(fā)揮出學生學習與發(fā)展的主體作用，使學生親身經歷物理知識的形成過程，還能使學生將課本中的知識與語文學科的知識結合在一起，簡單與具象化地學習物理知識，全面提高學生的物理學習效果與能力，通過改善學生的學習體驗和學習氛圍來提升學生自主探析能力，鍛煉綜合性的學習思維，并實現(xiàn)創(chuàng)新能力的發(fā)展。現(xiàn)階段語言表達能力在各學科教學中都越來越受到重視，簡答題在中考試題中出現(xiàn)的頻率越來越高，學生在面對簡答題時能大體知道其蘊含的物理知識卻很難組織語言準確描述其中的物理原理，導致簡答題的得分率不高。所以簡答題也被學生及教師定義為中考較難的題型之一。解決上述問題一般按以下步驟分部著手：

（1）回歸定義

例一：物體所受摩擦力的分析

物體所受摩擦力的分析往往基于兩個物體是否存在相對運動，而有關物體運動的判斷則是一個非常基礎的知識點，大家都覺得非常簡單而容易被忽略。但在遇到物體所受摩擦力的分析時又陷入了困惑，特別是“傳送帶”類問題總是描述不清楚，這是初中甚至高中階段的難點之一，原因就在于脫離了對兩個物體運動情況的精準分析。要解釋清楚相關問題就需要回到對“機械運動”的物理定義，既一個物體相對另一個物體是否發(fā)生位置變化或變化趨勢。組織語言描述清楚兩個物體之間的位置變化情況，摩擦力的分析及語言描述即可迎刃而解。

例二：慣性有關現(xiàn)象的解釋

本知識點也是教學中鍛煉學生語言表達能力常涉及到的簡答類題目。比如解釋毛巾上的粉筆灰為什么通過快速抖動就可以擺脫掉。解答這類題目往往需先回到“慣性”的定義，描述兩個物體發(fā)生運動狀態(tài)變化前后的區(qū)別對比即可，先明確動詞為“抖動”，毛巾上的粉筆灰需要“抖動”才可以分離，組織語言時圍繞動詞說明粉筆灰和毛巾兩個物體在“抖動”前后的狀態(tài)：抖動前粉筆灰隨毛巾一起運動，抖動后毛巾快速停止運動，而粉筆灰由于慣性將保持原來的運動狀態(tài)繼續(xù)運動，從而粉筆灰和毛巾就分離了。再如：解釋公交車剎車時人會前傾還是后仰及其原因，組織語言時先明確動詞“剎車”，描述“剎車”前后車與人的運動情況即可。組織語言：“剎車”前，人和車一起向前運動，“剎車”后，車子快速停下來，而人由于慣性會保持原來的運動狀態(tài)繼續(xù)向前運動，所以人就會向前傾倒。為什么錘頭松了通過在石頭上“磕”幾下就緊了？為什么跳遠運動員先“助跑”一段后跳得更遠？總之，解決此類問題的規(guī)律就是先明確動詞，再結合慣性的定義描述清楚兩個物體動詞前后的運動情況即可。

（2）培養(yǎng)檢索有效信息的能力

很多教師對物理計算題的格式要求需要書寫“已知、求、解、答”存在爭議，認為此類固定套路會把學生解決問題的思維僵化。我認為對于剛剛接觸物理的初中學生來說是很有必要的。學習任何一門新的學科都需要熟悉該門學科對應的學科語言，而學生受長期生活經驗獲取的感性認識影響，導致在組織語言描述、解釋物理有關現(xiàn)象時語言不規(guī)范。物理是一門自然科學，要求學生必須通過學習培養(yǎng)嚴謹的思維習慣和熟悉物理語言。而“已知”就是訓練在眾多數據中快速提取有效信息并通過特殊符號、數據翻譯為物理語言的過程，“求”則是用符號將題目要求或目的翻譯為物理語言的過程，“解”是通過物理符號、數據等語言解答相關問題的過程。真正規(guī)范、完整的“已知、求、解、答”是國際通用語言，也就是說不管你是漢語、英語或其它任何語言背景都能看懂有關數據及解答過程。

目前，各地中考、高考對閱讀和理解能力都提高了要求，不論試卷字數還是對文字含義的理解難度都大幅增加，題型也變得更加靈活，題量不變的情況下試卷頁數增加。多地還將涉及有關物理知識的詩句、文言語句設計到中、高考題目中，如果學生題目都沒有搞清楚就更不用說解題了。這給學生在閱讀、文字理解和提取有效信息都提出了更高的要求。因此，在平時教學過程中教師要加強閱讀訓練，強化與語文學科的融合教學。

STEAM 教育理念就是這樣，在具體場景中通過培養(yǎng)學生解決實際問題來提升綜合解決問題能力，著重培養(yǎng)對知識的應用，增強創(chuàng)新意識。而且對于學生來說，物理知識有趣但是又復雜，但是融入STEAM 教育理念后的物理課程，學生的學習興趣能夠被激發(fā)出來，而且復雜的學習內容也變得更加簡單直接，可以使學生積極地學習物理知識，可以實現(xiàn)對學生物理學習興趣與效果的有效保證，自然就能使學生獲得良好的物理學習效果。所以，初中物理教師應真正認識到STEAM 教育的教育價值，以這種新型且高效的教育理念開展物理教學，使學生能夠真正融入到物理課程之中，真正學會與學好物理學科中的知識。

就像學生理解了物理概念以及單位符號的來源后，一定程度上加深了對英語學科的認識、促進了對數學學科的理解，推動了對語文學科的應用，同時培養(yǎng)了對物理學科的學習興趣。以此為出發(fā)點，物理學科與各學科之間都有著很強的關聯(lián)，物理教師應在教學中增強各學科之間的融合教研。同時授之以漁，引導學生歸納總結出各學科與各知識點之間的關聯(lián)與規(guī)律，滲透橫向聯(lián)系思想，學習上就可以達到事半功倍的效果，走出過去機械記憶、刻板理解的學習方式，促進各學科協(xié)同進步，符合當下的新課程改革、大單元教學設計、雙減政策等，掌握好學習方法后為高中物理進一步學習奠定良好的學習基礎，也為新時代綜合性創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定基礎。