“中学物理数字化实验与STEM活动”课程开发的实践与思考

叶军 黄彦焱

摘 要：结合十年多来在“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课开发中的亲身经历，从课程目标、课程内容、课程实施和课程评价等方面，通过具体案例简要介绍了“中学物理数字化实验与STEM活动”课程开发的几点实践经验和思考.

关键词：STEM活动;选修课程;开发;数字化实验

文章编号：1008-4134（2019）21-0012 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：叶军（1982-），男，浙江富阳人，硕士，中学一级教师，研究方向：高中物理演示实验研究;

黄彦焱（1981-），女，浙江塘栖人，本科，中学一级教师，研究方向：信息技术教学研究.

浙江省将中小学STEAM教育作为促进人才培养模式变革的重要举措之一，在基础教育阶段积极探索以STEAM教育为切入点的科技创新教育[1].面对STEAM教育进入中小学课堂这一新变化以及如何开发STEAM类课程，教师层面显然还没有做好充分的心理和技术准备.

近十年多来，笔者所在学校物理教研组在几位名优教师的带领下，围绕STEM活动类选修课程的开发做了大量的工作，积累了一些经验.其中“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课受到了在校学生的广泛好评，被选送为省级精品选修课程.本文试图通过具体案例的分析，谈谈笔者在“中学物理数字化实验与STEM活动”课程开发过程中的几点体会和思考.

1 关于“课程”概念和课程目标

关于“课程”，不同的人有不同的界定.按大多数人的理解，课程是指课业及其进程的总和，具体表现为三种形态：即课程计划、课程标准和教科书[2-3].

对于广大一线教师而言，“课程”这个概念是既熟悉又陌生的.熟悉，是因为我们的必修课程物理课堂教学，始终是在普通高中物理课程标准的指引下，教师们通过认真分析本学科的教学目标，明确教学内容和教学任务，并根据学生的学习特点对教科书上的内容精心组织教学活动的过程.

陌生，是因为我们缺乏从学校的培养目标出发，站在较为宏观的视野，缺乏对课程内容按学科知识的逻辑结构进行选择和安排的具体实践经验.简而言之，我们擅长的物理课堂教学只是工厂流水线上的几个重要环节，而开发一门课程无疑是设计一整条生产线.

有了正确的课程观，才能进一步确定课程目标.学校的培养目标、学生实际情况及STEAM类课程的跨学科价值定位，决定了“中学物理数字化实验与STEM活动”课程需要学生达成什么样的教学目标.

案例1 “中学物理数字化实验与STEM活动”课程目标节选

“中学物理数字化实验与STEM活动”，是以PBL项目式学习模式为基础，结合实践与创新思想的课程，是充分考虑到高中阶段学生的学习兴趣与思维特点的一门选修课，旨在让学生经历背景与目标、科学与诠释、器材与要求、技术与探索、 工程与制作、思考与讨论、传感器介绍等七个栏目的学习过程，引发学生研究兴趣.符合STEAM类课程突破学科中心束缚、改善学习方式、提供课程的广阔空间、促进学生发展等特点.本选修课，采用开放式教学手段引导学生进行研究，研究的过程中尽量保证实验条件的公平，用数学的手段进行测量、记录和统计分析，用工程和技术的知识去建立模型和创造.集探究性、趣味性、知识性、创新性于一体，有利于调动学生学习的积极性，改变学生对物理乏味无用的看法.

可见，课程目标的确定，要从本校学生的实际情况出发，明确本课程对学生具有什么样的教育教学价值和意义，突出学生哪些方面能力的培养，同时充分考虑学生的兴趣和需要，再结合教师自身的优势、特长，才能开发出具有较高立意、深受学生欢迎的STEAM类选修课程.

2 关于课程内容

课程内容是整个选修课程的中心部分或基本部分.选修课总课时较少，只有紧紧围绕课程目标，精心挑选那些人类文化遗产中的精华，才能充分发展学生的各方面能力，以适应未来社会发展的需要.

经过十多年的探索，笔者总结出“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课的开发从以下幾个方面寻求突破.

2.1 拓展学生知识

高中物理必修课程是为全体学生设计的，主要从力与运动、功和能两个角度阐述了质点在重力场、电磁场中的运动等内容.以人教版教材为例，教材中大量设置了诸如“科学漫步”“做一做”“STS”等栏目，很好地拓展了学生的知识视野，引导学生将物理知识与生活实际相联系，关注物理学史和科技前沿问题，令课程充满了时代性、实践性和生活情趣.

但实际教学中，大多数教师感到必修课程时间紧、任务重，很多有助于提升科学素养但高考不要求的知识往往被弱化或回避，使得必修课程完全被考试绑架.学生的物理学科素养得不到全面保证，长期的“偏食”导致思维的畸形和兴趣的丧失.

基于以上分析，利用选修课程对学生进行一定程度的营养补偿式教学，不仅能打开学生的思维禁锢，更能活化头脑中的必修知识内容，消除必修课堂内容过于单一造成的副作用.通过全景式还原物理学科知识，最终达到更深入理解必修课程内容的目的，从而提升教学质量.

因此，笔者所在的物理教研组对必修课程中值得深入挖掘、拓展的知识点进行了整理，开发了一门针对普通高中一年级优等生或普通高中二年级及以上学生学习的STEM类选修课程“中学物理数字化实验与STEM活动”.

案例2 “中学物理数字化实验与STEM活动”选修课目录

从选修课目录表1可以看出本课程以朗威DISlab数字化传感器应用为主线（基本涵盖数字化实验系统标配传感器），引导学生初步掌握物理实验相关理论知识和基本操作技能，对必修课程重要知识点进行拓展，指导学生进行简单的实验设计，帮助学生认识物理的知识性和趣味性.当然，除了围绕必修课程进行知识拓展，物理学史、科技前沿、大学课程入门等也是很好的选材方向.

2.2 提升学生能力

心理学对“能力”的定义为：能力是人顺利完成某种活动所必需具备的心理特征[2-3].全国高考物理学科委员会根据物理学科的特点和需要，将物理能力分为五个方面： 理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力以及實验能力.

从物理学的学科特点看，物理学是一门以实验为基础的科学.观察和实验是物理学研究的基本方法，是获得感性材料、探索物理规律、认识物理世界的基本手段，也是检验物理理论真理性的唯一标准.而在教学实践过程中，物理必修课程的教学大多以知识为主要载体，以理论探讨为主要形式，对学生物理能力中的实验能力，特别是观察能力、动手能力和解决实际问题能力的培养往往不够.

根据以上分析，笔者所开发的“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课，编写了5个来源于课本的STEM活动案例，具有较强的可操作性.利用学生的自我实践过程剥去纯粹物理模型和物理实验的神秘面纱，缩小了课本与实践的差距，增强了学生应用物理和实践物理的自信.同时，科学与诠释的创新环节可以有力地培养学生的创新精神和创新能力，大幅地提升学生的科学素养.

案例3 选修课“中学物理数字化实验与STEM活动”的设计思路

如图1所示，每个STEM活动案例，首先介绍相关的知识背景及活动目标，然后通过物理建模、设计实验方案、分工、实践等学生活动，体验项目式学习的过程;通过不断改进实验提升学生的实践能力;通过总结、问题探究升华对探究知识的现实意义的认知.

“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课充分发挥课本“科学漫步”“做一做”“STS”“课题研究”等栏目的外延价值，通过学生拓展操作一批课本实验，使用实验室的各种实验器材，同时通过老师对课本知识和实验的引导和辅助，将物理拓展性实验整合开发为特色STEM类选修课程，实现了学校科技资源使用价值的最大化.除了进一步挖掘课本实验外，也可将高中物理研究性学习、学生小课题、小论文等资源整合、改造成STEM类选修课，有力提升学生的综合能力.

2.3 培养学生情感

从广义上理解，“情感”是指包括情绪体验在内的一切态度体验.它是反映客观事物与人自身需要之间关系的一种心理过程.个体通过一系列的态度体验，形成态度、价值观、意志品质等各种性格特征[2-3].

教育部的《普通高中物理课程标准》明确提出，要通过高中物理课程，充分发展学生科学探索的兴趣，发展好奇心与求知欲，培养坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神[4-5].

因此，物理课程的学习，不仅是为了拓宽学生的知识面，如果教师在传授物理知识的同时，让学生亲身经历获取知识的整个过程，细心体会物理与生活实际的紧密联系，不断感受物理学发展史上科学巨人们的精神激励，那么学生必然会对物理知识产生更深层次的领悟.

笔者试图通过“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课的设计，弥补被考试“阉割”了的必修课程在情感方面的缺失，最大程度上激发学生学习物理的兴趣，让学生感受到物理学蕴含的真善美，培养学生积极的思维品质，从而改变物理课学习效率不高的现状.

案例4 选修课“中学物理数字化实验与STEM活动”之“广济古桥结构探寻”教材节选

【背景与目标】

每天放学，我们都要经过运河边的马路，家乡塘栖古镇的水乡风貌，是那样的引人神往，然而最让家乡父老引以自豪的，就是横跨在运河上的广济长桥，这座据传始建于唐代的千里京杭运河上唯一的七孔石拱桥，有着古朴雄伟的桥身，造型优美的桥孔，无论远近还是角度变化观察，古桥都给人们以建筑美的艺术享受，它反映了古代劳动人民高超的造桥技术，那么，桥的高度、长度、桥孔的数量与大小以及桥墩的形状，古人是依据什么来设计的呢？古桥为什么屹立千年不倒，良好的防台风、防洪以及抗压性能又是怎么做到的，究竟蕴含着怎样的物理原理？同学们认为“对广济古桥结构探寻”这个题目可以作为STEM活动的课题.

【器材与要求】（略）

【科学与诠释】[6]（略）

【工程与制作】

制作尽量符合实际的广济古桥模型（如图2所示）.

【技术与探索】[6]

（1）广济古桥的抗压功能探究（略）

（2）广济古桥的防洪功能探究（略）

（3）广济古桥的防台风功能探究（略）

【思考与讨论】

亲爱的朋友们，我们生活在美丽的家乡塘栖，喝着古镇运河的水，不妨约上好朋友一起看一看坐落在古镇运河上的其它桥梁吧！然后查阅更多资料，告诉大家我们古镇运河上共有几座大桥？它们叫什么名字、建在哪些位置？分别是什么类型的桥梁？比较各种桥梁的优缺点，查阅结果填入表2.

“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课程以生活中的物理实例为情景，充分体现物理源于生活、用于生活、高于生活的理念，引领学生关注生活，从生活走向物理，用物理改变生活.通过实验、制作、展示、征文等活动，能进一步增强学生的团队合作意识和物理应用意识，养成良好的科学态度和科学精神.

除此之外，在选修课程资源建设中，充分开发学校周边的人文、社会资源，能极大调动学生的学习积极性.

综上所述，我们努力的方向，就是要通过“物理知识拓展”延伸学生视野的广度，通过“物理能力提升”增加学生创新的高度，通过“物理情感培养”挖掘学生理解的深度.

3 关于课程实施和评价

相对于必修课，选修课少了考试指挥棒的束缚，但不代表选修课程的实施与评价具有随意性.因选修课程的开发总体上还处在探索阶段，在课程实施与评价方面能够借鉴的经验并不多.笔者结合自身情况，简要阐述在校本教材编写等方面所做的工作.

3.1 关于校本教材的开发

教科书是最基本、最重要的课程资源之一.在深化课程改革理念和目标的实施过程中，选修课程教科书的編写具有重要的作用.笔者的体会是，教科书的编写对教师的专业素养和学科认知要求极高，必须经历一个逐步积累的过程.因此，对于初步尝试选修课程开发的教师来说，笔者的建议是从学案、教案起步，做好各类教学资源的收集和整理工作，才能厚积薄发，最终编写出多样化的、富有特色的、符合学生需求的校本教材.

以下是“中学物理数字化实验与STEM活动”选修课教材编写思路的展示.

案例5 选修课“中学物理数字化实验与STEM活动”教材编写思路.

3.1.1 指导思想

①贴切课本，对课本中不方便展开的内容进行补充;

②设计实验必须是大部分学校和老师可以完成的;

③书写方式生动、活泼、有趣.

3.1.2 编写要点

①背景与目标：创设情境，提出STEM活动主题;

②器材与要求：呈现材料、提出STEM活动要求;

③科学与诠释：物理建模、架构STEM活动原理;

④工程与制作：动手操作、制作STEM活动模型;

⑤技术与探索：科学探究、体验STEM活动过程;

⑥思考与讨论：拓宽广度、拓展STEM活动过程;

⑦传感器介绍：科技知识，加深深度，扩大知识面.

3.2 选编内容

人教版全套物理，来源于课本的 “科学漫步”“做一做”“STS”“课题研究”等栏目.

（1）精心设计5个STEM活动案例，覆盖力、热、声、电、磁等领域;

（2）实验设计原则及建议.

①原创性原则：实验必须自己做过，自己拍照片，自己测得数据;

②资源共享原则：引用网络或其他来源的内容，需征求作者意见，并注明出处，网上的资料若找不到作者，必须说明.

4 关于课程评价

在课程评价方面，该课程特别注重学生评价过程性和结果性相结合，既重视学生学习过程中的能力发展，又注重学生动手制作的能力培养，让学生的科学素养和科学兴趣同步发展.根据物理学科的特点，本课程对学生的评价，体现了从课堂的学习延伸到课外的活动，从物理知识的理解到物理知识的应用，从理论知识的掌握到操作技能的提高，全面考察学生学习的成果和能力.

参考文献：

[1]管光海.浙江STEAM教育的现在与未来[N].浙江教育报，2018-5-9.

[2]赵卿敏.课程论基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[3]张华. 课程与教学论[M].上海：上海教育出版社，2000.

[4]中国人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：实验[M].北京：人民教育出版社，2003.

[5]中国人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[6]叶军.广济古桥结构探寻例析[J].中学物理，2013，31（1）：5-7.

（收稿日期：2019-08-26）