STEM視域下PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：教師將融合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的STEM理念應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué)中，構(gòu)建PBL模式，能在實現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)滲透，并彌補(bǔ)初中物理實驗教學(xué)的不足之處，促進(jìn)學(xué)生知識遷移、系統(tǒng)、整體學(xué)習(xí)與運(yùn)用，在提高學(xué)生分析理解、知識應(yīng)用、思考表達(dá)能力方面發(fā)揮著重要的作用。鑒于此，文章基于初中物理實驗教學(xué)需求，在STEM視域下，進(jìn)行理論概述、可行性與重要性分析，并重點(diǎn)探究PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用的策略，希望能對初中物理教師提高實驗教學(xué)效率與質(zhì)量有所啟示。

關(guān)鍵詞：STEM理念；PBL模式；初中物理；實驗教學(xué)；應(yīng)用策略

中圖分類號：G633.7""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""文章編號：1673-8918（2024）48-0127-04

隨著人才戰(zhàn)略的全面落實，黨和國家愈發(fā)關(guān)注人才培養(yǎng)過程與結(jié)果。教育部牽頭頒布相關(guān)政策文件，推進(jìn)教育改革持續(xù)深化，對各學(xué)段、各學(xué)科教師都提出了新的教育要求。STEM是較強(qiáng)應(yīng)用性學(xué)科有機(jī)融合的教育理念，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)四門學(xué)科全方面關(guān)聯(lián)、融合。在STEM教育理念指導(dǎo)下，初中物理教師構(gòu)建PBL教學(xué)模式，以問題為導(dǎo)向，開展物理實驗教學(xué)工作，具有較強(qiáng)可行性、重要性。如何高效運(yùn)用PBL模式，提高物理實驗教學(xué)效率與水平深受教師關(guān)注，是教師推進(jìn)課程改革深化的研究重點(diǎn)。以下融合STEM理念、PBL模式，基于《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”），按照問題情境創(chuàng)設(shè)、假設(shè)提出、小組合作、分析與解決問題、學(xué)習(xí)成果評價的教學(xué)流程，探究初中物理實驗教學(xué)有效運(yùn)用PBL模式的方法。

一、理論概述

（一）STEM理念概述

STEM即科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育總稱，科學(xué)解釋了世界、自然界的客觀規(guī)律；技術(shù)和工程師在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，對世界進(jìn)行的改造、控制、利用，從而解決社會發(fā)展過程中的難題；數(shù)學(xué)則是技術(shù)與工程的基礎(chǔ)性工具。將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)四門學(xué)科有機(jī)融合在一起，構(gòu)成STEM教育模式。STEM理念強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)運(yùn)用四門學(xué)科知識、技能開展教學(xué)工作的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生認(rèn)知、理解世界，發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋、解決問題的能力。

（二）PBL模式概述

PBL是Problem-BasedLearning的簡稱，即，問題式學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)以問題為導(dǎo)向，是以學(xué)生為中心的教學(xué)方式。問題驅(qū)動、情境探索、協(xié)作解決問題是PBL模式的典型特征，強(qiáng)調(diào)以問題為驅(qū)動、以學(xué)生為主體開展教學(xué)工作。PBL模式區(qū)別于以學(xué)科為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動學(xué)習(xí)為主，將學(xué)習(xí)與任務(wù)、問題掛鉤，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生投入問題，研究、分析并解決問題。

二、PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用的可行性

在初中物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展離不開科學(xué)探究。教育部牽頭推進(jìn)的教材改版，調(diào)整、完善教材內(nèi)容，以教材為載體向?qū)W生呈現(xiàn)系統(tǒng)、完善的物理知識體系，不僅有利于學(xué)生知識整體學(xué)習(xí)、實驗探究，還為新理念、新教學(xué)模式的應(yīng)用提供落腳點(diǎn)。PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的可行性。

一方面，各學(xué)段、各學(xué)科教材隨著教育改革的持續(xù)深化，以服務(wù)學(xué)生知識學(xué)習(xí)、掌握與應(yīng)用為方向不斷改變。從物理教材角度而言，人教版教材物理知識點(diǎn)、實驗等的選編、設(shè)計等不斷優(yōu)化，與初中生認(rèn)知規(guī)律更加契合。初中物理教材為學(xué)生由淺入深、系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理知識提供良好載體，不僅適合學(xué)生學(xué)習(xí)，助力學(xué)生由淺入深學(xué)習(xí)、掌握物理知識；還對課堂創(chuàng)新、課程改革具有實際意義。

另一方面，從教學(xué)內(nèi)容角度而言，PBL強(qiáng)調(diào)以問題為導(dǎo)向，學(xué)生的自主參與、分析尤其重要；物理實驗教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手實踐，PBL模式與初中物理實驗教學(xué)都對學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、能動性提出較高要求。初中物理實驗教學(xué)構(gòu)建PBL模式，恰能為問題的提出、分析與解決創(chuàng)建良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。在以學(xué)生為主體的物理實驗教學(xué)情境中，教師基于物理實驗現(xiàn)象，直接提出問題或引導(dǎo)學(xué)生提出問題，能以問題為學(xué)生指明實驗探究、分析思考的自主學(xué)習(xí)方向；PBL模式以問題的提出、分析與解決問題為重點(diǎn)，PBL模式與初中物理實驗在教學(xué)內(nèi)容方面的關(guān)聯(lián)性。

簡而言之，初中物理實驗教學(xué)與PBL模式都強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，物理實驗基于真實情境的實驗現(xiàn)象促進(jìn)學(xué)生知識學(xué)習(xí)、思考與運(yùn)用；PBL教學(xué)模式基于真實情境提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，在提高學(xué)生思維能力方面產(chǎn)生顯著效果。初中物理實驗教學(xué)運(yùn)用PBL模式具有較強(qiáng)的可行性，共同致力于促進(jìn)學(xué)生掌握知識、解決問題、建構(gòu)知識體系。

三、PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用的重要性

在STEM視域下，初中物理教師在實驗教學(xué)全過程，推進(jìn)PBL模式落實，強(qiáng)調(diào)問題與物理實驗探究有機(jī)融合的重要性，引導(dǎo)教師將問題的提出、分析與解決貫穿于實驗教學(xué)全過程。以問題為學(xué)生實驗操作、觀察、思考、探究指明方向，對學(xué)生深度學(xué)習(xí)、思維發(fā)展具有重要作用。換言之，PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，能充分運(yùn)用物理實驗教學(xué)素材，遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生自主、能動、高效學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)生物理學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生綜合能力。

（一）合理提出問題，指明實驗探究、思考方向

PBL模式即以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，將其應(yīng)用于物理實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，將問題的提出、分析與解決貫穿于實驗教學(xué)全過程，是該模式的主要特征，也是對師生的必然要求。PBL教學(xué)模式的構(gòu)建將問題放置于物理實驗教學(xué)中心點(diǎn)，以問題引導(dǎo)學(xué)生動手操作實驗器材，觀察并分析物理實驗現(xiàn)象，為學(xué)生指明實驗探究、問題思考的方向。學(xué)生在物理實驗學(xué)習(xí)的過程中分析并解決問題，對其思維發(fā)展具有實際意義。

此外，PBL模式構(gòu)建過程中，問題情境的創(chuàng)設(shè)，不僅以教師為問題提出主體，還強(qiáng)調(diào)學(xué)生在問題提出環(huán)節(jié)的主體地位，強(qiáng)調(diào)師生各自提出問題。教師從物理教學(xué)的專業(yè)角度入手，根據(jù)班級學(xué)情、教學(xué)需求，合理提出問題，為學(xué)生實驗操作、思考指明方向。同時，教師還要充分發(fā)揮教學(xué)引導(dǎo)作用，通過適當(dāng)?shù)恼Z言引導(dǎo)、工具輔助，助力學(xué)生從實驗操作、物理學(xué)習(xí)的角度入手，將自己在學(xué)習(xí)過程中存在的問題提出來，引起學(xué)生對問題的廣泛討論。

（二）創(chuàng)設(shè)問題情境，增強(qiáng)物理實驗教學(xué)吸引力

初中物理教師構(gòu)建PBL教學(xué)模式，最關(guān)鍵的是創(chuàng)設(shè)問題情境，基于師生需求，在物理實驗教學(xué)過程中提出問題，并共同分析、思考、解決問題。教師根據(jù)教材內(nèi)容，從生活中挖掘、運(yùn)用與物理知識相關(guān)的現(xiàn)象、素材等，將其開發(fā)為物理實驗教學(xué)資源，促使學(xué)生對生活中具體的物理現(xiàn)象進(jìn)行實驗探究，能有效激發(fā)學(xué)生對物理實驗現(xiàn)象、原理以及相關(guān)物理知識的興趣。

STEM教育理念引導(dǎo)下的初中物理實驗教學(xué)，融合科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)多學(xué)科知識，對物理實驗素材、資源等進(jìn)行補(bǔ)充以及拓展延伸，對物理實驗進(jìn)行跨學(xué)科精心設(shè)計；并在豐富、真實生活素材的支持下，讓學(xué)生在觀察、分析物理實驗的過程中，充分調(diào)動積極性、主動性。

簡而言之，PBL模式強(qiáng)調(diào)問題導(dǎo)向性，在具有較強(qiáng)探究性的初中物理實驗教學(xué)過程中，構(gòu)建PBL教學(xué)模式，創(chuàng)設(shè)問題情境，能在引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考的過程中，增強(qiáng)物理實驗教學(xué)對學(xué)生的吸引力，充分調(diào)動學(xué)生物理學(xué)習(xí)積極性。

四、STEM視域下PBL模式在初中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略

STEM視域下，初中物理教師堅持問題導(dǎo)向性原則，構(gòu)建PBL教學(xué)模式，補(bǔ)充物理教學(xué)內(nèi)容，靈活運(yùn)用教學(xué)問題，驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實驗探究，在引導(dǎo)學(xué)生提出、分析、思考、解決問題的過程中，提高學(xué)生物理實驗學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量。初中物理教師要在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)全面落實STEM理念與PBL模式，就要從資源整合、框架構(gòu)建兩個方面入手，基于STEM教育理念，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科知識與初中物理實驗教學(xué)融合，促進(jìn)知識遷移、跨學(xué)科學(xué)習(xí)，從整體上提高學(xué)生知識學(xué)習(xí)、技能掌握與運(yùn)用能力。

（一）基于STEM理念挖掘、整合教學(xué)資源

新課標(biāo)明確初中物理實驗教學(xué)四個維度的核心素養(yǎng)，即物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。初中物理教師要在新課標(biāo)核心素養(yǎng)培育四個維度的教育要求下，整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及物理多學(xué)科教學(xué)資源，目標(biāo)明確地挖掘、開發(fā)并利用豐富且優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，補(bǔ)充初中物理實驗教學(xué)資源?；赟TEM理念，初中物理教師整合教學(xué)資源，要強(qiáng)調(diào)物理作為自然科學(xué)課程的屬性，整合多學(xué)科內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)知科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及物理之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度、正確的價值觀念；并在引導(dǎo)學(xué)生物理實驗觀察、探究的過程中，促進(jìn)其掌握多學(xué)科知識、實驗研究方法，并從物理走向生活，提高學(xué)生思維能力、解決實際問題的能力；將物理知識、實驗探究能力等轉(zhuǎn)化為學(xué)生的生活經(jīng)驗。教師挖掘、整合教學(xué)資源，要擺脫單一課程教學(xué)的限制，分析、研究中考物理試卷命題特點(diǎn)、考查重點(diǎn)，以中考改革倒逼物理實驗教學(xué)內(nèi)容與形式改革，全面落實STEM教育理念。

以人教版《物理》八年級下冊“重力”教學(xué)為例，教師要從教材研讀、課外補(bǔ)充拓展兩個環(huán)節(jié)入手，將課內(nèi)外相關(guān)資源整合在一起，作為物理實驗教學(xué)主要內(nèi)容。一方面，教師對人教版教材本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行研讀可知，教材主要包括物理概念、物理實驗以及思維拓展模塊，“想想議議”“想想做做”以及“動手動腦學(xué)物理”都是物理教材思維拓展模塊的主要內(nèi)容，也是物理教材融合STEM理念選編內(nèi)容的表現(xiàn)。具體而言，“想想議議”模塊以飛機(jī)在地球投放物資時受到的重力為例子，假設(shè)沒有重力的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生深入思考、理解“重力”這一物理概念，將物理知識融入日常生活，以學(xué)生熟悉的生活事物，促進(jìn)學(xué)生深入理解物理概念；并涉及科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)角度分析、思考物理概念以及相關(guān)現(xiàn)象?！跋胂胱鲎觥蹦K的“用一根細(xì)線拴住橡皮甩起來做圓周運(yùn)動”的內(nèi)容，與STEM理念的“技術(shù)”學(xué)科相對應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生在動手實操的過程中，感受物體圍繞圓心做圓周運(yùn)動全過程力的變化?！皠邮謩幽X學(xué)物理”模塊結(jié)合具體的物理習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用具體的數(shù)字，深入學(xué)習(xí)、理解物體受力情況以及力的大小變化。這一模塊涉及工程、數(shù)學(xué)學(xué)科內(nèi)容，是STEM理念中“E”與“M”的具體體現(xiàn)。此外，“科學(xué)世界”從人類對地球之外太空探索的角度，對本節(jié)物理知識進(jìn)行補(bǔ)充拓展。另一方面，教師要基于STEM理念，挖掘、開發(fā)并運(yùn)用課外教學(xué)資源，對課內(nèi)物理實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充、拓展延伸。圍繞本節(jié)物理實驗“探究重力的大小跟質(zhì)量的關(guān)系”，教師整合器材工具資源，引導(dǎo)學(xué)生使用測重器測量鉤碼以及生活中常見物體的重力；使用電子秤測量物體的實際質(zhì)量，并在直角坐標(biāo)系中標(biāo)注物體質(zhì)量與重力的具體數(shù)值，直觀呈現(xiàn)物體質(zhì)量與重力的關(guān)系。除了在物理實驗中，教師選用可使用工具測量質(zhì)量與重力的物體，增加實驗對象；還要列舉生活中真實的案例，為學(xué)生提供物理實驗觀察、分析的豐富素材，促進(jìn)學(xué)生整體學(xué)習(xí)與理解物體重力與質(zhì)量關(guān)系相關(guān)物理知識。

（二）以STEM為核心，搭設(shè)實驗+PBL框架

初中物理教師在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，滲透STEM理念，并堅持問題導(dǎo)向性原則，構(gòu)建“物理實驗+PBL”教學(xué)模式，能充分發(fā)揮問題啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生實驗觀察、分析、思考、操作的作用。教師要在STEM理念要求下，搭設(shè)“實驗+PBL”框架，將初中物理實驗教學(xué)覆蓋于框架引導(dǎo)下。PBL模式提供方法支持，初中物理實驗教學(xué)提供內(nèi)容支持，STEM教育理念提供策略支持，搭設(shè)STEM視域下初中物理實驗PBL教學(xué)框架。教學(xué)框架支持初中物理實驗教學(xué)，推動物理實驗教學(xué)擺脫傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制與影響，在助力提高物理實驗教學(xué)效率與質(zhì)量方面發(fā)揮著重要的作用。

以人教版《物理》八年級下冊“杠桿”為例，在本節(jié)物理實驗“探究杠桿的平衡條件”教學(xué)過程中，教師基于科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)多學(xué)科及跨學(xué)科教育理念要求，將以物理知識為主要內(nèi)容的實驗素材進(jìn)行部分替換，滲透、融合多學(xué)科知識，推進(jìn)STEM理念具體落實到杠桿平衡條件物理實驗探索全過程，對學(xué)生進(jìn)行有效的知識補(bǔ)充、拓展、延伸，促進(jìn)學(xué)生以“杠桿平衡條件”物理實驗為載體，系統(tǒng)、整體學(xué)習(xí)與之相關(guān)的多學(xué)科知識，逐步完善學(xué)生知識體系。杠桿在生活中隨處可見，生活中的常見物體，晾衣竿、木板、尺子等均可被看作杠桿，且能以學(xué)生更加熟悉的物體，激勵學(xué)生自主進(jìn)行物理實驗探索。教師選擇晾衣架為本次實驗研究的杠桿，在衣架兩端的掛衣鉤上掛上各種物體，從衣架不平衡的狀態(tài)將其調(diào)整為平衡狀態(tài)。在衣架狀態(tài)改變的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生從兩端掛鉤取下、增加各種物體，以生活中熟悉的直觀現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生實驗探究興趣，引導(dǎo)其進(jìn)一步探究杠桿平衡條件、原理等。例如，教師基于PBL模式提出問題：“在處于平衡狀態(tài)的衣架一端增加襪子、浴巾、毛巾等物體，衣架增加物體的一端會下沉，衣架處于不平衡的狀態(tài)。那么如何操作能讓衣架恢復(fù)平衡狀態(tài)？”基于這一原始問題，教師提出3個探究性問題：“如何判定杠桿的平衡狀態(tài)？當(dāng)掛有物體的衣架發(fā)生傾斜，則衣架是否處于平衡狀態(tài)？”“衣架平衡狀態(tài)被打破的原因是什么？”“當(dāng)衣架處于不平衡狀態(tài)，則如何在兩端懸掛衣服等物體，讓其恢復(fù)平衡狀態(tài)？”教師將全班學(xué)生劃分為3個小組，3個小組分別對應(yīng)上述3個問題，動手操作衣架，控制衣架兩端物體的數(shù)量、重量等，讓衣架在平衡—不平衡的狀態(tài)調(diào)整，結(jié)合具體的物體實驗現(xiàn)象，促進(jìn)學(xué)生對杠桿平衡條件以及原理進(jìn)行深度探索。

在“物理實驗+PBL”框架指引下，教師將物理實驗落實到日常生活層面，以生活中常見的現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生實驗探索興趣，并將衣架平衡與不平衡狀態(tài)與物理“杠桿平衡條件”學(xué)科知識有機(jī)融合，深化學(xué)生對生活現(xiàn)象、物理知識的整體理解，從整體上強(qiáng)化學(xué)生綜合學(xué)習(xí)效果。

五、結(jié)論

在新課標(biāo)要求下，STEM教育理念與PBL教學(xué)模式出現(xiàn)，并被要求廣泛應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)實踐過程中，推進(jìn)課程改革深化，為學(xué)生創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。初中物理教師在實踐性較強(qiáng)的物理實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，落實STEM理念、PBL模式，需要明確兩個教育概念、可行性以及重要性，從資源挖掘、整合以及框架搭設(shè)、優(yōu)化兩個方面入手，堅持問題導(dǎo)向性原則，設(shè)計、提出合理問題，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考及實驗探究，從整體上提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量。

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作者簡介：盧志江（1972～），男，白族，貴州畢節(jié)人，大方縣三元彝族苗族白族鄉(xiāng)三元中學(xué)，研究方向：初中物理教學(xué)。