人教版高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素分析

摘 要： ＳＴＥＡＭ教育將科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學等學科知識有機融合。實現(xiàn)了知識的獲取、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，并對其進行了定性和定量分析。教材中的ＳＴＥＡＭ元素，有利于打破學科界限，立足真實情境，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力。同時，對教師在教材使用過程中運用其中的ＳＴＥＡＭ元素培養(yǎng)學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：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0021-5

隨著科技的高速發(fā)展，教育改革的目標已轉(zhuǎn)向培養(yǎng)創(chuàng)新型人才以驅(qū)動國家的發(fā)展。為滿足新時代人才培養(yǎng)的需求，教育除了培養(yǎng)學生的“學科素養(yǎng)”外，還需關(guān)注“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)。ＳＴＥＡＭ是一種科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學等多領(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)新觀與知識觀等方面具有契合點，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，國務院發(fā)布《全民科學素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（２０２１—２０３５年）》，推進并完善了信息素養(yǎng)建設(shè)。據(jù)《２０２２年中國青少年ＳＴＥＡＭ教育研究報告》顯示，江蘇、山東、河南等省份已出臺相關(guān)政策推進ＳＴＥＡＭ教育的有效實施。

ＳＴＥＡＭ教育的提倡者Ｇ．Ｙａｋｍａｎ［２］提出，ＳＴＥＡＭ教育著重于數(shù)學和學科教學，培養(yǎng)在真實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)新型人才和終身學習能力。范文翔等人［３］總結(jié)出美國ＳＴＥＡＭ教育主要聚焦于現(xiàn)實世界的問題與挑戰(zhàn)，通過工程設(shè)計流程制訂解決方案，協(xié)作學習進行開放式探索，并鼓勵答案多樣化。還指出了ＳＴＥＡＭ教育的內(nèi)涵［４］包括跨學科整合、從做中學、創(chuàng)新意識、基于項目與問題、依托工具與資源、真實情境下的探究、多元主體共同參與的教育。魏曉東等人［５］總結(jié)了ＳＴＥＡＭ教育的特點是借助教育信息化手段促進學生的深度學習，在從“我”到“我們”的角色轉(zhuǎn)變中實現(xiàn)團隊合作，以及以項目為中心培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

ＳＴＥＡＭ教育是基于項目式的教學模式，其基本特征為跨學科性，通過多門學科融合，創(chuàng)設(shè)真實的教育教學情境以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與實踐能力［６］。新課標中［７］也將跨學科主題具體劃分為日常生活類、工程實踐類、社會發(fā)展類，同時強調(diào)要把提高學生的綜合素質(zhì)作為高中階段教育的培養(yǎng)目標?？梢园l(fā)現(xiàn)，研究者們已經(jīng)注意到了ＳＴＥＡＭ教育的重要性。

學科教學是ＳＴＥＡＭ教育的主要陣地，教科書是依據(jù)課程標準研制的、便于教師教與學生學的基本教學媒介［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，但其主要研究學段多為小學［９］，其次為初中［１０］，目前少有學者對高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素進行研究。物理學是科學發(fā)展的基礎(chǔ)，許多科學領(lǐng)域都依賴于物理學的理論和方法，諸如化學、生物學、地球科學等學科都有著密切的聯(lián)系。新課標提出高中教育應為學生適應社會生活、高等教育和職業(yè)發(fā)展做準備，注重課程的時代性，關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需求，以現(xiàn)代信息技術(shù)的形式引導學生理解物理學的本質(zhì)，從“知道什么”到“運用知識能做什么”的教育目標與教育理念的轉(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，對其中蘊含的ＳＴＥＡＭ元素進行深入分析，為一線教師提供參考。

２ 基于ＳＴＥＡＭ教育理念對必修一進行分析

２．１ 教材中ＳＴＥＡＭ元素的界定

ＳＴＥＡＭ元素可細分為科學（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、藝術(shù)（A）、數(shù)學（M）五大板塊。Ｇ．Ｙａｋｍａｎ將ＳＴＥＡＭ各元素界定為：科學（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)學和科學的創(chuàng)造力和邏輯，利用技術(shù)作為連接劑為世界作出貢獻；數(shù)學（Ｍ）是數(shù)字和運算、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，是解決一切科學問題的基礎(chǔ)；藝術(shù)（Ａ）是社會如何發(fā)展、影響、交流和理解其過去、現(xiàn)在和未來的風俗習慣。

如表１所示，具體到物理教材中，科學（S）對應科學知識，是新課標規(guī)定的學生應當掌握的物理觀念；技術(shù)（T）是在學習物理學相關(guān)知識后，可以進行物理學相關(guān)儀器的操作；工程（E）是介紹物理實驗儀器或者是向?qū)W生科普當代高端儀器的原理和使用，是技術(shù)的開發(fā)與應用；藝術(shù)（A）是使用物理學史和名人名言等形式進行課堂導入或者輔助課堂教學，以加強學生的人文底蘊和藝術(shù)熏陶；數(shù)學（M）則是對實驗數(shù)據(jù)的計算或是通過數(shù)學的方式推導物理定理與公式。

２．２ 必修一ＳＴＥＡＭ元素的定量分析

通過對必修一各章節(jié)正文部分和各個欄目進行分析研究，必修一全書Ｓ、Ｔ、Ｅ、Ａ、Ｍ各元素總數(shù)為９５個，內(nèi)容豐富。例如，第一章《運動的描述》中學習到打點計時器和圖像分析，第三章《相互作用——力》和第四章《運動和力的關(guān)系》都是以實驗和計算的方式推導物理公式，運用較多的技術(shù)與數(shù)學元素；第二章《勻變速直線運動的研究》不光通過實驗進行理論知識的推導與學習，且有大量的物理學史內(nèi)容，技術(shù)、數(shù)學、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，科學知識（Ｓ）元素占比達到了４５％，占據(jù)了最大的板塊；科學知識在情境中的應用技術(shù)（Ｔ）和數(shù)據(jù)分析處理的數(shù)學（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（S）元素外，應用技術(shù)（Ｔ）的占比較大。演示實驗和探究實驗較為豐富，有利于培養(yǎng)學生的動手能力。必修一中，由于有比較豐富的物理學史內(nèi)容，如伽利略研究物體在斜面運動和自由落體運動，所以藝術(shù)（A）的比重也達到了８％，有益于豐富學生的物理學史知識，形成持之以恒、實事求是的科學態(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欄目作為拓展，分別為“問題”“實驗”“做一做”“演示實驗”“插圖”“復習與提高”“旁批”“科學方法”“ＳＴＳＥ”“科學漫步”等，這些拓展欄目更多地表現(xiàn)了教材中科學知識（Ｓ）以外的其他元素。

“問題”是在各個章節(jié)新課導入中都有設(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行課堂導入。引導學生思考問題，激發(fā)學生的學習興趣。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）。

“實驗”在新版教材中強調(diào)了“探究”的重要性。本教材中的實驗目標為培養(yǎng)學生的實驗技能和分析實驗數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)學生的物理綜合能力。必修一共８個實驗，以探究實驗為主。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，學生已經(jīng)知道彈簧在形變時產(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。教師將這一相對獨立的項目交給學生進行探究，最后收集所得的數(shù)據(jù)并對其進行計算得出結(jié)論，呈現(xiàn)了ＳＴＥＡＭ教育基于項目和問題的學習特點，有利于引導學生以數(shù)學為基礎(chǔ)、以實驗為方法解決物理學習中遇到的問題，推導得出相應的物理結(jié)論。

“做一做”主要是課外小活動，體現(xiàn)了現(xiàn)代工程技術(shù)與課堂學習的結(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用所學物理知識實現(xiàn)。如教材第４７頁通過手機APP測量當?shù)刈杂陕潴w加速度，實驗非常簡單，但卻運用到了ＳＴＥＡＭ教育跨學科的思想，在課外活動中利用計算機信息技術(shù)和物理學科的整合，鞏固學生課堂所學習的物理概念和物理規(guī)律。

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

“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)，物理實驗儀器的展示，著名物理學家的肖像及其工作場景，實際生活中的工具等。加強了物理學科與生活和其他學科的有機融合，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部分學?？赡艽嬖诘挠布O(shè)施不足的問題，有利于物理課程跨學科的展開。

“復習與提高”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用物理規(guī)律，建構(gòu)物理模型，還有科學推理和數(shù)學運算等多方面的知識。難度階梯式分布，適用于不同能力的學生。每一節(jié)的“練習與應用”中，題目結(jié)合了生活中的真實情境、當今社會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，分析嫦娥三號探測器的速度；第４５頁，分析滑躍式起飛時飛機的速度。這些題目中不僅蘊含了跨學科的知識，同時也體現(xiàn)了藝術(shù)、工程和物理、數(shù)學的結(jié)合。

“旁批”的目的在于對正文的內(nèi)容進行特別強調(diào)，有利于培養(yǎng)學生的科學創(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?！边@個旁批要求學生不盲從權(quán)威，懷有批判精神，敢于質(zhì)疑，加強學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

“科學方法”在必修一中只有第８６頁“控制變量”這一個欄目，這是進行物理規(guī)律實驗探究中最常用的方法之一，該方法貫穿于整個中學物理學習過程，是學生設(shè)計實驗時必須掌握的方法。

“科學漫步”主要介紹物理學史和當前的高端科技，“ＳＴＳＥ”是指科學、技術(shù)、社會、環(huán)境。二者共同的作用是通過展示當代科技的發(fā)展豐富學生的知識面，開闊學生的眼界，通過學習物理學史對學生進行藝術(shù)熏陶，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和人文主義素養(yǎng)。

ＳＴＥＡＭ教育的基本理念是打破學科界限，其廣義即為通過科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等學科融合，在日常生活、工程實踐、社會發(fā)展三個方面培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力；而狹義即為將中學物理課程與其他中學課程相結(jié)合。從上文的分析中我們可以發(fā)現(xiàn)，當前教材采取的是以科學知識為主，通過物理實驗和數(shù)學推導的方式來輔助學生學習科學知識，進而更好地形成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，培養(yǎng)學生的科學思維，提升科學探究能力。

教材中涉及到的實驗操作、物理知識傳授，都以真實情境為基礎(chǔ)，立足于真實情境將抽象的物理知識與學生具體的生活相聯(lián)系，達到知識的遷移與運用。通過項目式學習讓學生在教師的引導下以小組的形式進行實驗探究以解決問題，有助于培養(yǎng)學生的團隊精神，形成責任意識。

教材在最后“課題研究”部分提供了一個研究樣例“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向，在教師的指導下由學生小組合作進行實驗探究，采用高頻數(shù)碼相機和計算機進行數(shù)據(jù)記錄與分析，促進學生深度學習。學生在學習完研究樣例之后，需要自己歸納總結(jié)，并針對參考選題設(shè)計實驗，有助于學生創(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前我國教育界培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的一種新的手段，教材中蘊含著豐富的ＳＴＥＡＭ元素。教師在使用教材進行教學的過程可以與學科核心素養(yǎng)相結(jié)合。教師在使用教材時，不僅要注重科學物理觀念，也要關(guān)注技術(shù)和數(shù)學的物理建模與數(shù)學推理，培養(yǎng)學生的科學思維；基于工程的觀察和實驗提出物理問題，培養(yǎng)學生的科學探究能力；認識科學本質(zhì)，在人文藝術(shù)和自然科學的相互作用下，逐漸引導學生形成持之以恒、實事求是的科學態(tài)度，和推動國家乃至世界進步的責任感。教師在講解教材內(nèi)容時，除了教授基礎(chǔ)知識之外，還要靈活運用多種教學方法并結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)符合大多數(shù)學生生活經(jīng)驗的真實情境。課后增加實踐類型的作業(yè)，培養(yǎng)學生運用知識的能力，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)合我國目前新課標的要求，著眼于培養(yǎng)學生的建模與推理，注重分析與表達，重視技能與方法，培養(yǎng)觀念與責任等方面。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)學生的綜合能力。此外，教師也應積極將ＳＴＥＡＭ理念與學科核心素養(yǎng)進行有效對接，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。

參考文獻：

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（欄目編輯 劉 榮）