人教版高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素分析

摘 要： ＳＴＥＡＭ教育將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合。實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程的統(tǒng)一。這與核心素養(yǎng)在人才觀、創(chuàng)新觀與知識(shí)觀等方面具有較高的結(jié)合度。通過研究人教版高中物理必修一教材，界定了教材中的ＳＴＥＡＭ相關(guān)元素，并對其進(jìn)行了定性和定量分析。教材中的ＳＴＥＡＭ元素，有利于打破學(xué)科界限，立足真實(shí)情境，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。同時(shí)，對教師在教材使用過程中運(yùn)用其中的ＳＴＥＡＭ元素培養(yǎng)學(xué)生的能力提出了建議。

關(guān)鍵詞：ＳＴＥＡＭ教育理念；高中物理；教材分析

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）11-0021-5

隨著科技的高速發(fā)展，教育改革的目標(biāo)已轉(zhuǎn)向培養(yǎng)創(chuàng)新型人才以驅(qū)動(dòng)國家的發(fā)展。為滿足新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求，教育除了培養(yǎng)學(xué)生的“學(xué)科素養(yǎng)”外，還需關(guān)注“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)。ＳＴＥＡＭ是一種科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等多領(lǐng)域相互融合的綜合性教育理念和教育模式，與核心素養(yǎng)在人才觀、創(chuàng)新觀與知識(shí)觀等方面具有契合點(diǎn)，這為STEAM教育與核心素養(yǎng)的對接提供了可能性［１］。

１ ＳＴＥＡＭ教育理念現(xiàn)狀研究

我國在２０１４年首次引入ＳＴＥＡＭ教育理念，自２０１５年起，教育部發(fā)布文件提出探索ＳＴＥＡＭ教育和創(chuàng)客教育等新模式。至２０２１年，國務(wù)院發(fā)布《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（２０２１—２０３５年）》，推進(jìn)并完善了信息素養(yǎng)建設(shè)。據(jù)《２０２２年中國青少年ＳＴＥＡＭ教育研究報(bào)告》顯示，江蘇、山東、河南等省份已出臺(tái)相關(guān)政策推進(jìn)ＳＴＥＡＭ教育的有效實(shí)施。

ＳＴＥＡＭ教育的提倡者Ｇ．Ｙａｋｍａｎ［２］提出，ＳＴＥＡＭ教育著重于數(shù)學(xué)和學(xué)科教學(xué)，培養(yǎng)在真實(shí)情境中解決問題的能力，有利于培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的創(chuàng)新型人才和終身學(xué)習(xí)能力。范文翔等人［３］總結(jié)出美國ＳＴＥＡＭ教育主要聚焦于現(xiàn)實(shí)世界的問題與挑戰(zhàn)，通過工程設(shè)計(jì)流程制訂解決方案，協(xié)作學(xué)習(xí)進(jìn)行開放式探索，并鼓勵(lì)答案多樣化。還指出了ＳＴＥＡＭ教育的內(nèi)涵［４］包括跨學(xué)科整合、從做中學(xué)、創(chuàng)新意識(shí)、基于項(xiàng)目與問題、依托工具與資源、真實(shí)情境下的探究、多元主體共同參與的教育。魏曉東等人［５］總結(jié)了ＳＴＥＡＭ教育的特點(diǎn)是借助教育信息化手段促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，在從“我”到“我們”的角色轉(zhuǎn)變中實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作，以及以項(xiàng)目為中心培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

ＳＴＥＡＭ教育是基于項(xiàng)目式的教學(xué)模式，其基本特征為跨學(xué)科性，通過多門學(xué)科融合，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的教育教學(xué)情境以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力［６］。新課標(biāo)中［７］也將跨學(xué)科主題具體劃分為日常生活類、工程實(shí)踐類、社會(huì)發(fā)展類，同時(shí)強(qiáng)調(diào)要把提高學(xué)生的綜合素質(zhì)作為高中階段教育的培養(yǎng)目標(biāo)。可以發(fā)現(xiàn)，研究者們已經(jīng)注意到了ＳＴＥＡＭ教育的重要性。

學(xué)科教學(xué)是ＳＴＥＡＭ教育的主要陣地，教科書是依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)研制的、便于教師教與學(xué)生學(xué)的基本教學(xué)媒介［８］。我國對ＳＴＥＡＭ教育與國內(nèi)主流教材相融合的研究已有不少，但其主要研究學(xué)段多為小學(xué)［９］，其次為初中［１０］，目前少有學(xué)者對高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素進(jìn)行研究。物理學(xué)是科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，許多科學(xué)領(lǐng)域都依賴于物理學(xué)的理論和方法，諸如化學(xué)、生物學(xué)、地球科學(xué)等學(xué)科都有著密切的聯(lián)系。新課標(biāo)提出高中教育應(yīng)為學(xué)生適應(yīng)社會(huì)生活、高等教育和職業(yè)發(fā)展做準(zhǔn)備，注重課程的時(shí)代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求，以現(xiàn)代信息技術(shù)的形式引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，從“知道什么”到“運(yùn)用知識(shí)能做什么”的教育目標(biāo)與教育理念的轉(zhuǎn)型。因此，本文以２０１９版人教版高中物理必修一教科書（以下簡稱“必修一”）為研究對象，采用定量與定性分析方法，對其中蘊(yùn)含的ＳＴＥＡＭ元素進(jìn)行深入分析，為一線教師提供參考。

２ 基于ＳＴＥＡＭ教育理念對必修一進(jìn)行分析

２．１ 教材中ＳＴＥＡＭ元素的界定

ＳＴＥＡＭ元素可細(xì)分為科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）、數(shù)學(xué)（M）五大板塊。Ｇ．Ｙａｋｍａｎ將ＳＴＥＡＭ各元素界定為：科學(xué)（S）是自然存在的東西以及它是如何受到影響的；技術(shù)（T）是人為制造的產(chǎn)物；工程（Ｅ）是基于數(shù)學(xué)和科學(xué)的創(chuàng)造力和邏輯，利用技術(shù)作為連接劑為世界作出貢獻(xiàn)；數(shù)學(xué)（Ｍ）是數(shù)字和運(yùn)算、代數(shù)、幾何、測量、數(shù)據(jù)分析和概率、解決問題、推理和證明、溝通，是解決一切科學(xué)問題的基礎(chǔ)；藝術(shù)（Ａ）是社會(huì)如何發(fā)展、影響、交流和理解其過去、現(xiàn)在和未來的風(fēng)俗習(xí)慣。

如表１所示，具體到物理教材中，科學(xué)（S）對應(yīng)科學(xué)知識(shí)，是新課標(biāo)規(guī)定的學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握的物理觀念；技術(shù)（T）是在學(xué)習(xí)物理學(xué)相關(guān)知識(shí)后，可以進(jìn)行物理學(xué)相關(guān)儀器的操作；工程（E）是介紹物理實(shí)驗(yàn)儀器或者是向?qū)W生科普當(dāng)代高端儀器的原理和使用，是技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用；藝術(shù)（A）是使用物理學(xué)史和名人名言等形式進(jìn)行課堂導(dǎo)入或者輔助課堂教學(xué)，以加強(qiáng)學(xué)生的人文底蘊(yùn)和藝術(shù)熏陶；數(shù)學(xué)（M）則是對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算或是通過數(shù)學(xué)的方式推導(dǎo)物理定理與公式。

２．２ 必修一ＳＴＥＡＭ元素的定量分析

通過對必修一各章節(jié)正文部分和各個(gè)欄目進(jìn)行分析研究，必修一全書Ｓ、Ｔ、Ｅ、Ａ、Ｍ各元素總數(shù)為９５個(gè)，內(nèi)容豐富。例如，第一章《運(yùn)動(dòng)的描述》中學(xué)習(xí)到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和圖像分析，第三章《相互作用——力》和第四章《運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系》都是以實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的方式推導(dǎo)物理公式，運(yùn)用較多的技術(shù)與數(shù)學(xué)元素；第二章《勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究》不光通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論知識(shí)的推導(dǎo)與學(xué)習(xí)，且有大量的物理學(xué)史內(nèi)容，技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等元素都較為豐富。

ＳＴＥＡＭ各元素在必修一中的數(shù)量與占比如圖1、圖2所示，科學(xué)知識(shí)（Ｓ）元素占比達(dá)到了４５％，占據(jù)了最大的板塊；科學(xué)知識(shí)在情境中的應(yīng)用技術(shù)（Ｔ）和數(shù)據(jù)分析處理的數(shù)學(xué)（Ｍ）分別占２３％和１５％；物理相關(guān)的工程制品（Ｅ）和藝術(shù)（Ａ）分別占９％和８％。由此可見，目前必修一中ＳＴＥＡＭ各元素都占了一定的比重。除科學(xué)（S）元素外，應(yīng)用技術(shù)（Ｔ）的占比較大。演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)較為豐富，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。必修一中，由于有比較豐富的物理學(xué)史內(nèi)容，如伽利略研究物體在斜面運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)，所以藝術(shù)（A）的比重也達(dá)到了８％，有益于豐富學(xué)生的物理學(xué)史知識(shí)，形成持之以恒、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

２．３ 必修一各欄目中ＳＴＥＡＭ元素的定性結(jié)果分析

必修一除正文部分外還有各個(gè)欄目作為拓展，分別為“問題”“實(shí)驗(yàn)”“做一做”“演示實(shí)驗(yàn)”“插圖”“復(fù)習(xí)與提高”“旁批”“科學(xué)方法”“ＳＴＳＥ”“科學(xué)漫步”等，這些拓展欄目更多地表現(xiàn)了教材中科學(xué)知識(shí)（Ｓ）以外的其他元素。

“問題”是在各個(gè)章節(jié)新課導(dǎo)入中都有設(shè)置的欄目，其主要內(nèi)容有插圖和文字描述。通過介紹生活中常見的物理情境進(jìn)行課堂導(dǎo)入。引導(dǎo)學(xué)生思考問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。問題的內(nèi)容豐富多樣，呈現(xiàn)了多種ＳＴＥＡＭ元素，如第二章第四節(jié)“問題”的插圖展示歷史意義濃厚的意大利比薩斜塔為藝術(shù)（Ａ），第四章第三節(jié)展示了現(xiàn)代工程技術(shù)的賽車為工程制品（Ｅ）。

“實(shí)驗(yàn)”在新版教材中強(qiáng)調(diào)了“探究”的重要性。本教材中的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理綜合能力。必修一共８個(gè)實(shí)驗(yàn)，以探究實(shí)驗(yàn)為主。如第三章第一節(jié)中“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”，在初中階段，學(xué)生已經(jīng)知道彈簧在形變時(shí)產(chǎn)生的彈力與彈簧的伸長量有關(guān)，但卻不知道它們之間的定量關(guān)系。教師將這一相對獨(dú)立的項(xiàng)目交給學(xué)生進(jìn)行探究，最后收集所得的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)論，呈現(xiàn)了ＳＴＥＡＭ教育基于項(xiàng)目和問題的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，有利于引導(dǎo)學(xué)生以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)、以實(shí)驗(yàn)為方法解決物理學(xué)習(xí)中遇到的問題，推導(dǎo)得出相應(yīng)的物理結(jié)論。

“做一做”主要是課外小活動(dòng)，體現(xiàn)了現(xiàn)代工程技術(shù)與課堂學(xué)習(xí)的結(jié)合。教材中“做一做”欄目設(shè)置的難度不高，農(nóng)村孩子和城市孩子都可以簡單地運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)實(shí)現(xiàn)。如教材第４７頁通過手機(jī)APP測量當(dāng)?shù)刈杂陕潴w加速度，實(shí)驗(yàn)非常簡單，但卻運(yùn)用到了ＳＴＥＡＭ教育跨學(xué)科的思想，在課外活動(dòng)中利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和物理學(xué)科的整合，鞏固學(xué)生課堂所學(xué)習(xí)的物理概念和物理規(guī)律。

“演示實(shí)驗(yàn)”是教師利用儀器設(shè)備或者多媒體教具進(jìn)行科學(xué)演示，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行思考。本欄目著眼于結(jié)合實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解較為抽象的物理原理，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。但如果條件允許，演示實(shí)驗(yàn)最好可以改為探究性實(shí)驗(yàn)。如教材第６２頁中“靜摩擦力的大小隨拉力的變化”完全可以由學(xué)生進(jìn)行小組合作探究，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和科學(xué)思維。

“插圖”在必修一教材中大量使用，豐富了教材內(nèi)容，避免了純文字可能帶來的枯燥。必修一共１７８張插圖，包含了物理情境的創(chuàng)設(shè)，物理實(shí)驗(yàn)儀器的展示，著名物理學(xué)家的肖像及其工作場景，實(shí)際生活中的工具等。加強(qiáng)了物理學(xué)科與生活和其他學(xué)科的有機(jī)融合，提高教材的可讀性、啟發(fā)性和趣味性，在一定程度上也能彌補(bǔ)部分學(xué)?？赡艽嬖诘挠布O(shè)施不足的問題，有利于物理課程跨學(xué)科的展開。

“復(fù)習(xí)與提高”由較為簡單的Ａ組題和用于鞏固提高的Ｂ組題構(gòu)成，設(shè)于每章的章末。其解題過程涉及到了應(yīng)用物理規(guī)律，建構(gòu)物理模型，還有科學(xué)推理和數(shù)學(xué)運(yùn)算等多方面的知識(shí)。難度階梯式分布，適用于不同能力的學(xué)生。每一節(jié)的“練習(xí)與應(yīng)用”中，題目結(jié)合了生活中的真實(shí)情境、當(dāng)今社會(huì)科技前沿信息和中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。如教材第１３頁，題目要求根據(jù)詩句分別分析其中的參考系；第３９頁，分析嫦娥三號(hào)探測器的速度；第４５頁，分析滑躍式起飛時(shí)飛機(jī)的速度。這些題目中不僅蘊(yùn)含了跨學(xué)科的知識(shí)，同時(shí)也體現(xiàn)了藝術(shù)、工程和物理、數(shù)學(xué)的結(jié)合。

“旁批”的目的在于對正文的內(nèi)容進(jìn)行特別強(qiáng)調(diào)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維和物理觀念。如教材第４５頁的旁批“伽利略通過邏輯推理，首先指出……研究中所體現(xiàn)的批判精神是創(chuàng)新所必要的。”這個(gè)旁批要求學(xué)生不盲從權(quán)威，懷有批判精神，敢于質(zhì)疑，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

“科學(xué)方法”在必修一中只有第８６頁“控制變量”這一個(gè)欄目，這是進(jìn)行物理規(guī)律實(shí)驗(yàn)探究中最常用的方法之一，該方法貫穿于整個(gè)中學(xué)物理學(xué)習(xí)過程，是學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)必須掌握的方法。

“科學(xué)漫步”主要介紹物理學(xué)史和當(dāng)前的高端科技，“ＳＴＳＥ”是指科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境。二者共同的作用是通過展示當(dāng)代科技的發(fā)展豐富學(xué)生的知識(shí)面，開闊學(xué)生的眼界，通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史對學(xué)生進(jìn)行藝術(shù)熏陶，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和人文主義素養(yǎng)。

ＳＴＥＡＭ教育的基本理念是打破學(xué)科界限，其廣義即為通過科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科融合，在日常生活、工程實(shí)踐、社會(huì)發(fā)展三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；而狹義即為將中學(xué)物理課程與其他中學(xué)課程相結(jié)合。從上文的分析中我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前教材采取的是以科學(xué)知識(shí)為主，通過物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式來輔助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，進(jìn)而更好地形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提升科學(xué)探究能力。

教材中涉及到的實(shí)驗(yàn)操作、物理知識(shí)傳授，都以真實(shí)情境為基礎(chǔ)，立足于真實(shí)情境將抽象的物理知識(shí)與學(xué)生具體的生活相聯(lián)系，達(dá)到知識(shí)的遷移與運(yùn)用。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下以小組的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究以解決問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，形成責(zé)任意識(shí)。

教材在最后“課題研究”部分提供了一個(gè)研究樣例“球形物體空氣阻力大小與速率關(guān)系的研究”和一個(gè)參考選題“橡皮筋彈力與伸長量關(guān)系的研究”。研究樣例以解決問題為導(dǎo)向，在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，采用高頻數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)完研究樣例之后，需要自己歸納總結(jié)，并針對參考選題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生創(chuàng)造力與解決問題能力的培養(yǎng)。

３ 結(jié) 論

ＳＴＥＡＭ教育理念正逐漸成為當(dāng)前我國教育界培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的一種新的手段，教材中蘊(yùn)含著豐富的ＳＴＥＡＭ元素。教師在使用教材進(jìn)行教學(xué)的過程可以與學(xué)科核心素養(yǎng)相結(jié)合。教師在使用教材時(shí)，不僅要注重科學(xué)物理觀念，也要關(guān)注技術(shù)和數(shù)學(xué)的物理建模與數(shù)學(xué)推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維；基于工程的觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，在人文藝術(shù)和自然科學(xué)的相互作用下，逐漸引導(dǎo)學(xué)生形成持之以恒、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，和推動(dòng)國家乃至世界進(jìn)步的責(zé)任感。教師在講解教材內(nèi)容時(shí)，除了教授基礎(chǔ)知識(shí)之外，還要靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法并結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)符合大多數(shù)學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的真實(shí)情境。課后增加實(shí)踐類型的作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，提高核心素養(yǎng)。

ＳＴＥＡＭ教育理念從ＳＴＥＭ教育發(fā)展而來，其內(nèi)涵不斷豐富，未來有發(fā)展為ＳＴＲＥＡＭ教育（添加了讀寫能力“Ｒｅａｄｉｎｇ／ｗＲｉｔｉｎｇ”）的趨勢［１1］，面向?qū)W生的全面發(fā)展。結(jié)合我國目前新課標(biāo)的要求，著眼于培養(yǎng)學(xué)生的建模與推理，注重分析與表達(dá)，重視技能與方法，培養(yǎng)觀念與責(zé)任等方面。我國現(xiàn)行主流教材已有ＳＴＥＡＭ元素，教師在授課過程中可以充分利用教材中的這些元素，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。此外，教師也應(yīng)積極將ＳＴＥＡＭ理念與學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行有效對接，發(fā)揮ＳＴＥＡＭ教育理念的優(yōu)勢，為培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才作出貢獻(xiàn)。

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［１０］楊楠，程琳．ＳＴＥＡＭ教育理念在人教版初中物理教科書中的滲透運(yùn)用研究——以人教版八年級(jí)上冊物理教科書為例［Ｊ］．新課程導(dǎo)學(xué)，２０２２（１）：９７－９８．

［１1］趙慧臣，陸曉婷．開展ＳＴＥＡＭ教育，提高學(xué)生創(chuàng)新能力——訪美國ＳＴＥＡＭ教育知名學(xué)者格雷特·亞克門教授［Ｊ］．開放教育研究，２０１６，２２（５）：４－１０．

（欄目編輯 劉 榮）