STEAM理念下物理实验教学的实践与反思

摘   要

阐述STEAM理念及其发展，剖析传统物理实验课堂教学的弊病，强调STEAM教育在物理实验课堂教学中的必要性。经过实践研究，提出了基于STEAM理念的物理实验课堂教学模式，通过用科学问题驱动项目、用传感技术显现思维、用工程制作加深理解、用艺术美感改进模型、用数学知识解决问题、迁移应用拓展提高等策略应用，聚焦高阶思维，促进深度学习，从而提高核心素养。

关键词

STEAM理念  物理实验课堂  教学实践

STEAM教育是由美国学者Yakman首次提出，目的是为了解决工程活动的综合问题[1]。它的5个字母分别代表5门学科，Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Art（艺术）、Mathematics（数学），但它不是这5门学科的简单叠加，而是通过打破各学科领域的边界，进行综合而有效的融合，寻找一种问题解决式、探索发现式学习的课程模式，从而达到全方位提升学生的科技素养、人文素养，培养创新精神与实践能力。

基于STEAM理念的物理实验课堂用科学问题驱动项目学习、用传感技术显现思维、用工程制作培养能力、用艺术美感改进工具、用数学知识解决疑难，把这些STEAM理念与物理实验课堂深度融合，从而促进深度学习，提高核心素养。

一、用科学问题驱动项目

STEAM理念下的教育最好基于项目式学习完成，而项目式学习的最佳引入是基于真实生活化科学问题且以任务式驱动引入。一方面使他们粗略地知道这节课将要完成的目标;另一方面，因为生活化情境具有一定的复杂性和非良构性，对学生来说具有一定的挑战性，为了完成这一目标或这一挑战，会激发自己的学习内驱力，会想方设法地思考应对方法或策略，使思维从一开始就呈现发散式。同时，因为生活化情景贴近学生生活，这样的引入更有利于激发学生的学习兴趣，使他们喜学、乐学和爱学，也能化被动为主动，化低效为高效教学。

在上小孔成像实验[2]时，教师可以先把学生带到学校的树荫下，带领孩子们观察树荫下的光斑，让学生针对光斑提一些科学问题，学生通过观察思考后，提出以下几个值得探究的问题：光斑的形状为什么不一样，有的是圆形的，有的却是方形的？光斑是怎么形成的？

以学生熟悉的生活化情境——树荫下的光斑任务驱动引课，激发学生的内驱力，迅速抓住学生的眼球，同时通过观察现象，让学生提出一些有价值的科学探究问题，为整节课的项目化学习奠定坚实的基础。

二、用传感技术显现思维

随着科学技术的进步，技术支持在物理实验课堂上的应用也越来越广泛，特别是传感技术给物理实验课堂带来了革命性的改变，如用温度传感器动态显示实验过程中温度的动态变化、用力学传感器可以把定性实验化成定量实验，同时通过软件，显示力大小随时间变化的曲线图等，使原来难可视化、低见度的实验现象呈现高见度、可视化的思维过程。传感器的应用不但可以使结论更严谨、实验现象更明显，也有利于培养学生的学习兴趣和严谨、求真、实证、理性的科学态度和科学精神。

中学物理教学中，在探究晶体熔化过程中温度随时间变化的实验，有一个突出的难点，就是在熔化过程中很难呈现随着加热时间的变化温度却保持不变的这一规律。此时如果加入温度传感器，问题就迎刃而解了，可以很明显看到晶体在熔化过程中要吸收热量但温度是保持不变的这一规律。

三、用工程与艺术制作加深理解

STEAM教育的理念也重视工程的制作，这是STEAM教育与传统物理课堂教学的本质区别所在。特别是涉及到模型制作时，教师应该大胆放手，让学生在设计的基础上，通过小组合作来完成模型的制作，通过模型的制作，充分了解模型的结构及各部分结构所起的作用，同时通过模型的应用，如自制温度计对液体温度的测量和比较，发现问题，分析问题，并在解决问题的过程中不断地改进模型，一方面使得自制模型与实物更贴近、更完美，另一方面，使得学生在分析、评价和创造过程中，聚焦高阶思维，促进他们深度学习，如对物理概念、物理规律及相应的物理原理的深度理解，真正做到知其然更知其所以然。

经过对温度计模型的设计、评价后，老师给每小组发放器材（大小不一的玻璃瓶，不同管径的塑料管，蒸馏水、酒精、烧杯、滴管等），组装成温度计模型（有的玻璃瓶大，有的塑料管细，有的液体是酒精），把此装置分别放入两瓶温度差不多的热水中，以塑料管中液面的高低来判断水温度的高低。

通过自己组装温度计，知道温度计的组成，也知道了温度计的原理——液体的热胀冷缩原理。同时，通过大小玻璃瓶的不同及塑料管径的粗细不同，会导致温度高低的无法比较及更让他们有兴趣想尽办法进行比较，这不但激发了学生学习的内驱力，也为模型的再次改进埋下伏笔。

老师把同学们比较后的图片呈现在屏幕上，然后让学生观察、对比和讨论。通过对比，他们惊奇地发现并改进了几个问题：第一，只用水作液体，液面位置显示不明显，应该在水中加入红墨水，这样液面位置会更清晰。第二，玻璃瓶大小一样但塑料管越细，液面上升越高，反之，塑料管管径大小一样时，玻璃瓶越大，液面上升越高，从中他们得出：玻璃瓶越大、塑料管径越细，温度计灵敏度越高。第三，通过同样的玻璃瓶和同样的管径大小对比，发现玻璃瓶中水的多少也会影响液面的高低变化，即在装液体时，液体一定要装满，不能留有空气。第四，同样的装置，玻璃瓶内液体的不同，也会导致液面高低不同，他们发现：装酒精的液面明显比装水的液面要高好多。

至此，他们得出了一个全新的改进后温度计模型：大玻璃瓶、细塑料管管径、里面装的是酒精且要装满整个玻璃瓶，在酒精中加一些紅墨水或食用色素（有红、蓝、绿、橙等色，这样会更美观）。同学们用改进后的温度计去对比原来的两杯差不多温度的热水，发现：液面高低还是很明显，同时他们也用实验证明了，他们前面得出的几个改进观点是正确的。

通过分配不同的玻璃瓶和不同的塑料管及不同的液体，目的使他们发现更多的问题，通过多重对比，使他们改进相应的温度计模型，使之结构更严谨、示数更准确，同时，通过对比，使他们知其然，更知其所以然。如酒精和水的对比，发现酒精的膨胀系数比水高;玻璃瓶中的液体越多、塑料管管径越细，温度计越精确。通过这一定性的测量过程和比较过程，使他们更理解温度计的原理和更充分理解体温计为什么比普通温度计精确的原因。

在同学们比较得出哪杯水温度更高后，教师继续追问：高的那杯水和低的那杯水温度到底是多少℃？请同学们思考，如何利用自制的温度计测出来。他们思考后认为，要有两个温度值就可以把塑料管的刻度给标上。此时，教师在PPT上温馨提示：冰水混合物的温度为0℃，1标准大气压下的沸水温度为100℃。教师给学生需要的材料，如冰及相应的沸水。同学们小组合作，把自制的温度计放入冰水混合物时的液面标为0℃，放在1标准大气压下的沸水中的液面标为100℃，在0℃和100℃之间分成100等分（为了节省时间，只要求分10等分）。在塑料管上标好温度后，同学们用此温度计测出了两杯热水的温度（在此期间可以让他们尝试着玻璃瓶碰底、碰壁的操作，以此让他们自主得出什么是错误的操作）。教师继续追问：你们的温度计能否离开液体而读数，如果不能，你有什么辦法能让玻璃瓶离开被测物体且此时的液面不下降？思考后认为：可以在塑料管下端弄一个弯折，只允许液面上升而不允许下降，教师适时呈现体温计的缩口。

从定性上升到定量，使他们理解温度计刻度的由来及制定的标准，同时，通过如何做到离开后液面不下降的设问，使他们真正理解体温计的缩口制作及相应的原理。通过自制温度计测量出两杯水的真实温度，使他们收获实验结论和劳动成果的喜悦，使他们更喜欢物理，更喜欢研究物理。

四、用数学知识解决问题

STEAM理念下的教育还重视各学科间的深度融合，充分发挥各学科的优势，利用各学科的优势来解决生活中所需要解决的问题。如物理教学中，往往会把数学、化学等各领域中的知识一起融合，利用各学科的交叉知识来解决某一生活问题。

教师在PPT上投影呈现出其中一组在塑料管上标数字时，因粗心把0℃标成了10℃的图片。结果他们这组测出来的热水温度75℃，请问正确吗？如果不正确，正确的应该是多少呢？反之，如果正确的是50℃，此时，他们这支温度计上的示数又会是多少呢？经过一定的计算，让部分学生上台演示，利用数学方法解决物理问题。

抓住课堂生成，充分利用生成资源作为情境，一方面更具真实性和冲突性，另一方面也更具挑战性，同时利用数学的比例问题来解决物理问题，充分体现了学科之间的深度融合，而让学生去讲解，突出了新课程中的学生的主体性这一理念。

五、通过迁移应用达到拓展提高

STEAM理念的教育是要求学生通过知识的学习，能应用所学知识解决未知领域中的问题，这就是我们所说的迁移应用，这也是深度学习最注重的一块，通过STEAM理念下的物理实验教学，要做到以不变应万变。

老师制作一个里面放了一定铁块的乒乓球，用来模仿沉船，要求同学们利用所学的浮力知识来打捞这个乒乓球沉船，经过讨论思考后，他们会想出很多种办法，如：绑上浮桶，使船的排开水的体积增大;卸去船上多余的物品，使得重力小于浮力;利用公式ρ液gV排，改变ρ液，使它的密度大于船的密度;有人也提出改变g，讨论后，认为不行。

对所学知识进行迁移应用，特别是把它放入陌生的情境之中，更能促使所学知识的深度应用和迁移，充分理解其原理，从而真正促进深度学习，提高核心素养。

六、实践反思

1.物理实验问题设计要循序渐进、进阶上升

基于STEAM理念的物理实验课在设计问题时，也要符合学生的认知发展规律，要从学生的兴趣点出发，然后循序渐进，进阶上升，如《温度的测量》一课的设计可以从区分冷热水开始，一开始用感觉器官，然后用测温工具——自制温度计，从定性到定量，再到拓展，这一系列问题的设计都是利用进阶原理，呈现一定的梯度，但又提供一定的支架，符合学生的最近发展区理念。

2.实验教学要课内课外有效融合

虽说课堂是主阵地，但因物理教学大多数是实验教学，课堂上不一定能及时完成，所以实验教学最好是课内与课外融合，对于课堂上不能完成的、时间过长的实验，最好到课后去完成。当然也有一些前置实验，也可以在家庭中完成，在上课时，直接呈现学生实验，这样不但能让学生明白实验的原理，操作的细节，更能理解实验所承载的一些知识点，理解实验成功与失败的本质原因。

3.实验教学要融入STEAM教学理念

在解决物理问题中，充分考虑学科的融合，如数学比例的融合计算，使学生明白，真正解决问题要用多学科融合的知识来解决，所以在设计模型教学时，最好融入STEAM理念进行教学，用STEAM教育的项目化内容为物理教学的生活化、情景化、主题化、综合化提供素材。STEAM教育中学生活动的自主性、探究性、互动性为物理教学方式的转型提供借鉴。

参考文献

[1] 甘秉洪.融合STEAM教育理念的高中物理逻辑电路教学探略[J].中学物理教学参考，2018（09）：6-7.

[2] 黄建林.指向深度学习的“高见度”实验教学策略[J].教学与管理，2020（06）：70-72.

【责任编辑  孙晓雯】