基于STEM理念的“项目学习与物理实验探究”课程的设计与实施

叶军 黄彦焱

摘 要：结合在“项目学习与物理实验探究”校本课程开发中的亲身经历，从课程构建、课程开发、课程实践、课程评价的角度，将STEM理念融入课程的设计与实施.

关键词：STEM理念;课程;设计;实施;项目实习

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）19-0045-04

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;

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

STEM教育是科学、技术、工程和数学教育的简称，STEM教育多采取各学科融会贯通的方式，STEM注重知识与现实问题的有机融合，注重学生的自主积极参与，通过学生自身所了解、掌握的不同学科知识针对现实问题得出自己的处理办法，结合项目加以开展，以研究性学习为主，注重培养学生的探究能力，提升学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养等.STEM教育以技术为桥梁，实现跨学科整合，关注新技术和实践应用为主要原则，培养能综合运用多学科知识解决实际问题的复合型创新人才.笔者设计的基于STEM理念的“项目学习与物理实验探究”课程的教学需要经历了一个从提出问题、分析问题、模型建构、实践验证、反思升级的过程.可以通过抽象与概括思维来分析问题;通过逻辑与系统思维来进行模型建构;通过批判与反思思维来进行实践验证;通过迭代思维来进行反思升级.在这个过程中，融合STEM理念的教学设计，将会更有效地提升校本课程教学的实效，培养学生的物理思维.

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“项目学习与物理实验探究”校本选修课受到了在校学生的广泛好评，被选送为区级精品选修课程.本文试图通过课程构建、课程开发、课程实践、课程评价、课程成效的角度，谈谈如何将STEM理念融入课程的设计与实施.

1 基于STEM理念的“项目学习与物理实验探究”课程的构建

1.1 课程目标

通过项目学习和项目问题解决的实践活动，实现“教、学、做”合一，使学生获得亲身实践的积极体验，发现和领略物理在现实生活的应用，形成从生活中主动发现问题并独立地分析、解决问题的态度.应用物理实验设计理论知识，提高学生动手能力、创新能力和培养学生学习物理的持久兴趣;学习并掌握必要的物理实验基本技能和实验设计方法，养成合作、分享、积极进取等良好的个性品质，以及创新精神和实践能力，培养学生科学态度、集体观念和社会责任感.

上述课程目标分解为以下三个维度表述：

（1）知识与技能

①=1＼*GB3理解项目学习的内涵和基本程序;了解工程、技术与数学等学科知识在科学探究中的运用.

②=2＼*GB3掌握物理实验基本操作技能;进一步学会观察、记录、分析物理现象的方法和技能;掌握物理实验设计方法，能够运用实验设计方法探究生活问题.

（2）过程与方法

①=1＼*GB3体验项目学习在实验探究中的运用，初步运用项目学习程序来设计实验探究方案并实践.知道科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据.

②=2＼*GB3体验物理实验设计的方法和程序，能够运用物理实验设计方法和条件控制进行实验设计和实验研究，初步形成运用物理实验解决实际问题的能力.

（3）情感、态度和价值观

①=1＼*GB3通过探究实验方案的设计及实施，激发学习兴趣，使学生形成良好的实验工作习惯.

②=2＼*GB3通过量化物理探究，培养学生量化思想、比较思想、类比思想、构建模型思想、验证探究思想和以实验为基础的观念，树立严谨细致的科学态度，具有批判精神和创新意识.

③=3＼*GB3通过作品研制、展示与交流，培养学生小组合作意识，人际交往能力，形成从生活中主动地发现问题并独立地分析、解决问题的态度，培养学生的科学态度、集体观念和社会责任感.

1.2 课程内容

本课程学习内容以项目学习模式为核心，以物理实验设计理论及运用为载体，以实验的形式探究物质世界的奥秘，内容的选取兼顾实用性和趣味性.

课程内容以“理论—实践—运用”为主线，分为3个专题.专题1为理论篇，涉及的课程内容具体为：（1）=1＼*GB3项目学习;（2）=2＼*GB3物理实验设计常用方法.专题2为实践篇.该专题以项目问题的模式，具体讲解项目学习的实施程序及实验设计方法的运用;通过专题内容的趣味性和实用性，使学生熟悉项目学习的实施程序和物理实验设计研究常用方法.涉及的项目活动有：（1）=1＼*GB3模拟车祸现场估测车速;（2）=2＼*GB3探究地磁场的水平分量;（3）=3＼*GB3估测地球表面平均辐射能;（4）探究光的衍射现象.专题3为应用篇.该专题安排三个综合探究项目，学生根据项目学习程序、物理实验设计方法及兴趣特点，运用已建立的实践经验自主选取2-3个综合项目课题并设计实验探究.项目活动包含：（1）=1＼*GB3地球表面温度的测量和质量的测定;（2）=2＼*GB3探究磁流體技术对生活的影响;（3）=3＼*GB3感受声现象.

案例1 “项目学习与物理实验探究”选修课目录（见表1）

专题3：应用篇之综合探究地球表面温度的测量和质量的测定（3课时）综合运用所学实验设计方法进行探究

2 基于STEM理念的“项目学习与物理实验探究”课程的开发

2.1 课程开发的基本流程

在课程开发的过程中，需要经历一个从编写、实践、修订、实践的循环过程（如图1），通过这样的方式，设计出符合培养学生物理思维的校本课程.

围绕课程目标、课程框架，编写每一课时的教材，在编写好教材后，设计上课资源，在课堂上进行实践、观察、思考，课后与学生个别访谈，最后对课时教材进一步修订.同时，整个过程又是一个循环体，直到编写出最佳的课时教材.

2.2 教材编写的基本框架

基于物理思维的“项目学习与物理实验探究”教材编写要以培养学生物理思维为中心的教学理念，针对我校学生的学习特点，教材的基本框架主要分为六大板块：背景与目标、器材与要求、科学与诠释、工程与制作、技术与探索、思考与讨论.这六大板块的设计，是基于物理思维的核心思维所构建的，引导学生经历问题的抽象与分解、模型的构建与实施、思维的批判与迭代的过程.

案例2 选修课“项目学习与物理实验探究”之“感受声现象”教材节选

背景与目标：声音是平凡的，又是奇特的.我们生活在一个充满声音的世界中，这也许使它显得平凡;声音在很多方面丰富并改变着我们的生活，这又映射出它的奇特.那么，声音究竟是什么？声音有哪些特性？它还会给我们带来什么？妙趣横生的声现象中究竟蕴含着怎样的物理原理？同学们认为“感受声现象”这个题目可以作为综合探究项目的课题.

器材与要求：略.

科学与诠释[1]：略.

工程与制作：制作尽量符合实际的测量模型（如图3-6）.

技术与探索[1]：

一、声音的三要素（略）.

二、声音的反射（略）.

三、声音的折射（略）.

思考与讨论：我们生活在美丽的家乡塘栖，但是我们学校的周围充斥着噪声的污染，不妨约上好朋友一起应用Wensn噪音计探究塘栖街区的噪声污染吧.然后请查阅更多资料，结合塘栖街区噪声污染的特点，提出危害预防的改进建议.

物理思维的本质是抽象与概括，在编写教材时，要始终遵循学生的思维方式.在问题提出后，通过物理语言的方式抽象分析，通过数学建模、系统思维来建构物理模型，用批判思维的方式来思考.为了能进一步拓展学生思维，从物理思维中的迭代思维入手，让学生提出新的设想，将项目学习进一步升级，在潜移默化中培养学生的物理思维.可见，教材的课时编写是紧紧围绕物理思维的.

3 基于STEM理念的“项目学习与物理实验探究”课程的实践

在教学过程中，以“做中学”为理论指导，“教、学、做”合一.课程实施模式参考黄冬明和聂振雯的“基于PBL双环互动教学模式”（如图7）.

此模型为双环同心结构，中心标有“学生活动”，说明项目学习以学生学习为中心，学生是学习活动的主体，所有的教学活动都须围绕学生的学习来设计和开展.内环上的6个小圆圈代表教学活动的各个环节.内环中由直线所划分的6个区域中的内容为学生在相应的各个阶段所开展的活动.外环是一个正六边形，各方框内的内容是教师在对应各个阶段所从事的活动.外环表示教师在整个教学活动中是一个指导者、帮助者、监督者、资源提供者和合作者[2].

通过学生直接参与项目并呈现作品的方式，充分发挥学生的自主性，将课堂主动权交还给学生.通过学生亲身参与设计实践和探究，获取物理实验及相关理论等陈述性知识及物理操作等程序性知识，启迪思维;以学生现有的认知水平和动手能力来组织教学，循序渐进.尊重学生个体差异，鼓励并积极创造实践活动的条件和平台，使思维独到的学生有更多的尝试机会，在多次尝试中发展各项能力，学会合作和分享，乐于在团体协作的过程中发挥个人聪明才智，体验成功.

本课程安排3个专题，共安排18学时，共计2学分，其中专题1为2学时，专题2为8学时，专题3为8学时.

在课程开设方面，在每个学期开学的第一周，“项目学习与物理实验探究”选修课程和其他校本课程通过教务处“选修课选课指导手册”向学生公布，学生可以根据自己的兴趣爱好，进行网上选课.

截止2018年8月，累计选课人数达到1200人次，在本校选修课中位居首位.根据教务处学生评教的反馈信息，“项目学习与物理实验探究”受到了学生的热烈好评和追捧，多次出现报名人数超过额定人数的情况.

4 基于STEM理念的“项目学习与物理实验探究”课程的评价

（1）评价主体多元化和互动性.评价主体可以是科任教师也可以是学生，评价要求客观、公正，具有激励性、检测性.通过师生共同参与和互动交流，有利于全面了解学生真实的心理和学习情况，有利于培养学生的课堂参与度和学习积极性.

（2）评价内容多元化.根据本课程设置目标，开发项目学习评价量表，形成评价体系.课程评价体系包括项目方案设计评价、项目探究过程的评价、项目成果质量评价、成果交流评价、项目完成综合成绩评定.

（3）结果和过程相结合的原则.本课程的评价有别于甄别和选拔，力求真实反映学生的学习过程和成长历程，体现鼓励性原则，实现结果和过程相统一.

参考文献：

[1]叶军.声现象的实验研究[J].物理教学，2015，37（03）：44-47.

[2]全芙君，申敬红，相红英.基于项目的科学教学的方法与策略在高中化学中的实践[J].化学教育，2014（05）：8-10.

[3]张丰，管光海.浙江STEAM教育實践的现在和未来[N].浙江教育报，2020-10-14.

[4]赵卿敏.课程论基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[5]张华.课程与教学论[M].上海：上海教育出版社，2000.

[6]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[7]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-06-23）