融入STEM教育理念的初中物理课程设计

潘晓雯 白赫 刘思鹏 王颖慧

摘   要：STEM教育是一种新型的教育理念，将STEM教育理念融入中学物理课堂教学中，是培养学生核心素养的有效途径，是提升学生适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力的重要手段。文章提出了融入STEM教育理念的初中物理课程，同时利用美国国际技术与工程教育学会提出的6E设计型学习模式设计了融入STEM教育理念的初中物理教学案例“回滚筒”。

关键词：STEM教育;STEM课程理念;6E设计型学习模式;课程设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0028-3

1986年，美国国家科学委员会（NBS）发表《本科的科学、数学和工程教育》（Science and mathematics and engineering education of undergraduate course）报告，STEM教育正式进入大众的视野。STEM的发展经历了一系列复杂而深刻的变化，但为国家培养具有STEM素养的人才以增强其全球竞争力的目标并没有发生改变[1]。2016年，联合课题组发布的《中国学生发展核心素养》指出，中国学生的核心素养包括理性思维、批判质疑、勇于探究、勤于反思、信息意识、社会责任、劳动意识、问题解决、技术运用等，而STEM教育是一种以建构主义为指导思想、以真实世界的问题情境为背景、以问题为导向、以项目為驱动的新型教学理念。STEM教育通过跨学科整合性学习、探究型学习、基于项目的学习和基于设计的学习等方式来培养学生解决现实问题的能力，提高学生的STEM素养，这是实现培养学生核心素养这一终极目标的有效途径。因此，探索一种将STEM教育理念融入我国中学物理课堂教学中的方式成为当前教育者应该努力的方向。

1    融入STEM教育理念的初中物理课程应遵循的理念

1.1    课程设计方面

我国初中学生的专业基础知识扎实，逻辑思维能力也很强，但是创新能力不足，对知识的迁移应用能力也较弱[2]。基于STEM教育理念的初中物理课程设计应着重培养学生的创新意识和应用知识解决真实世界问题的能力，并遵循如下理念：

（1）跨学科性理念。跨学科性是STEM教育最核心的特征。因此，应摒弃我国中小学分科早所导致的学生所学知识缺乏系统性以及与现实生活相割裂的弊端[2]，在课程设计上，将重心放在利用科学、技术、工程和数学等相关知识解决实际问题或设计创新产品上，并在此过程中提高学生整合知识并应用于实践的综合能力[3]。

（2）趣味性理念。在课程设计过程中，教学内容需要充满趣味性。这就要求教师在进行教学设计时把知识内容转化为真实世界中的一个个有趣的问题，以问题为导向引起学生思考，并将知识与实际生活有机地联系起来[3]。

（3）多维性理念。STEM教育基于真实生活的复杂情境，仅靠单一的纸质教学内容不足以满足学生的探究心理。因此，在课程设计时借助于先进的信息技术手段，丰富教学内容，有助于更好地培养学生解决实际问题的能力[3]。

1.2    课程实施方面

从课程实施角度来看，STEM教育更能体现物理教学的实践性和物理规律的关联性[4]。与初中物理教学中提出的探究式教学模式相比，融入STEM教育理念的初中物理课程更注重物理规律在实际问题解决中的整合与应用。因此，在课程的实施过程中，应将STEM教育的项目性与协作性融入其中，让学生在整合所学自然规律的基础上，通过对问题的分析研究，运用不同的科学知识找到问题解决方法，并从中学会灵活地运用这些规律来解决其他相关的实际问题[5]。

（1）项目性理念。STEM教育是基于真实情境的以项目为驱动的新型教育理念。因此，在课程实施过程中，教师应基于STEM教育理念对学习活动进行项目设计，并组织学生开展项目学习（Project-Based Learning）[5]。其实，项目中蕴含着各个学科的知识，学生在完成项目的过程中探究能力、小组合作能力、创新能力、解决问题的能力等不断提高，STEM素养也逐渐增强。

（2）协作性理念。协作性理念包含三个方面：学生与教师的协作，学生与学生的协作，教师与教师的协作。在融入STEM教育理念的课程中，教师通常充当学习活动的组织者和引导者，因此，学生在活动中需要和教师协作。此外，STEM教育倡导小组学习，共同探究。小组成员之间相互协作配合，共同完成资料搜集、提出假设、设计方案、制作装置、检测深化、交流并评价。并且学生在相互协作中，更容易碰撞出思维的火花，得到更多创造性的结果[5]。因为STEM教育具有跨学科的特点，面对一些真实情境中的问题，一门学科的教师有时是不能解决的，这就需要不同学科的教师相互协作对学生进行指导。

2    融入STEM教育理念的初中物理课程设计

根据STEM教育的目标及理念，并结合我国的实际情况，融入STEM教育理念的初中物理课程的设计可根据美国国际技术与工程教育学会（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）于2014年提出的6E设计型学习模式（Learning by DESIGNTM Model）来操作。6E设计型学习模式的六个阶段分别为：参与（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、工程（Engineer）、深化（Enrich）和评价（Evaluate）[6]。

本案例针对初中物理“运动和力”“功和机械能”专题，以“回滚筒的制作”为项目主题，依据6E设计型学习模式进行融入STEM教育理念的课程设计。“回滚筒”案例是通过探究重心与稳定性的关系以及阻力对物体运动的影响来分析回滚筒运动距离的影响因素。学生在教师的指导下进行装置的设计、制作及改进，对所学知识进行深度探索，从而实现知识和技能的迁移。其中，涉及到的STEM学科知识如表1所示。

“回滚筒”课程设计共分为7节课，教师首先通过图片和真实生活中的实例创设情境，激发学生的学习动机和探究兴趣，让他们主动参与到学习中来。接着，引导学生制作平衡鸟、弹簧测力计和橡皮筋动力小车等，让他们学习科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）的相关知识，并通过挑战性任务让学生主动思考，与“回滚筒”案例产生联系。然后，引导学生进行工程方案的设计和装置的制作，深化分析该设计能否应用到新情境中，提出“3D打印”，使学生实现知识与技能的迁移，深化对工程设计的理解。最后，进行产品展示，教师与学生共同对项目过程、产品质量进行评价和反思。图1是“回滚筒”案例的课时安排、对应的6E模式阶段以及主要教學内容，表2则详细列出了“回滚筒”案例的教学设计。

3    结  语

STEM教育是一种整合性的教育理念，是未来教育发展的趋势。第四届科学、技术、工程和数学国 际教育大会（ The 4th International STEM in Education Conference）提出，未来STEM教育需要开展以下几方面的探索：加强STEM师资培育;推进本土STEM创新课程[7]。因此，对于我国基础教育发展而言，设计并实施融入STEM教育理念的中学物理教学案例对于学生发展是比较适宜的。在教师进行STEM教育案例设计时，应以原有学科知识为载体，以真实情境中的问题为背景，结合我国中学实际教学情况，通过项目学习、小组合作、工程设计、科学探究等方式，应用6E设计型学习模式，积极引导学生在教育教学活动中提升他们的核心素养。

参考文献：

[1]李慧，王全喜，张民选. 美国STEM教育的探析及启示[J].上海师范大学学报（哲学社会科学版），2016，45（5）：144-152.

[2]徐晶晶.寻找创新支点 上海STEM本土化的率先之探[J].上海教育，2015（13）：32-37.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，，2015，21（4）：13-22.

[4]王玥月，陆建隆.凸显STEM教育的初中物理教学设计初探——以“浮力”教学为例[J].物理教师，2017，38（2）：41-43.

[5]秦瑾若，傅钢善. STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017（4）：67-74.

[6]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.

[7]江丰光.连接正式与非正式学习的STEM教育——第四届STEM国际教育大会述评[J].电化教育研究，2017，38（2）：53-61.（栏目编辑    邓   磊）