STEM教育理念下的初中物理实验教学研究

徐 婷，徐 萌

STEM 教育包含科学、技术、工程、数学四个方面，最早由美国国家自然科学基金会教育在课程开发时提出，其目的是利用解决问题的方式实现跨学科的知识整合。STEM 教育通过团队合作，在解决实际问题的过程中进行跨学科学习。STEM 教育适应素质教育的发展方向，符合培养学生创新实践能力的要求，可以使学生在情境中，通过探究合作，解决一个实际问题。这样的教育理念可以使素质教育真正走进课堂。

一、STEM教育的教学方法

（一）PBL教学法

为了培养学生的STEM 素养，教师最常用的方式是PBL 教学法和6E 教学法。PBL 是Project Based Learning的缩写，意为基于项目的学习，这种教学方法以一个项目为核心开展学习活动。学生需要解决来自真实情景的复杂问题，在教师提出的实际问题的基础上确定研究思路和解决方案，并在解决问题的过程中学习和应用学科思想。在此过程中，培养创新思维和工程技能是最终目的。基于项目的学习目标是对教材内容以外知识的体验与经历，能够丰富学生对外在人和事物的认识。

相比PBL 教学模式的单一项目，STEM 教学模式中包含多个项目，更能激发学生产生持续不断的学习动机与探索欲望。STEM 学习通过创设真实情境，在生成产品的过程中汲取学科核心概念和技能，培养创新思维和工程技能。两者均是让学生在问题或项目的驱动下完成学习任务，都是提倡多元化教学模式和多样化教学评价。［2］

（二）6E教学法

1989年，王健提出“5E”教学法。它由参与、探索、解释、提炼、评价五部分整合而成。此模式旨在激发学生求知欲望进而自发探究和建构知识体系。然而“5E”教学法缺少了工程设计环节使学生缺乏操作实践技能。

在此之后，学者Burke 将设计与扩展整合到“5E”方法中，从而提出“6E”教学法。“6E”教学法契合STEM 教育的基本特点，它以情景或问题为出发点，学生通过工程设计环节自主综合运用多学科知识，从而生成产品。“6E”教学法主要包括六个过程：引入、探究、解释、工程、丰富、评价，相比于“5E”教学法，“6E”教学法加入了工程元素，丰富了“5E”教学法，增加了工程建造、模型设计思想。

二、在物理教学中融入STEM理念的必要性

（一）STEM理念能够促进物理核心素养的落实

中学物理课程改革重点强调物理核心素养的落地。构建从生活经验出发、以学科内容为基础、以核心素养为指导方向的中学物理课程。强调“注重多学科的横向配合，建议中学进行科学探究与技术应用相整合的跨学科学习活动，以此增强学生科学意识和实践能力”。新课程标准强调“创设情境提升跨学科技能并树立正确的科学观和价值观”。

STEM 理念强调了物理教学的实践性，在实践中增强解决问题的能力，并将其运用到生活中，从而加深对知识的理解。从认知维度出发，STEM 理念注重解决问题的过程，学生在解决问题时会关联到其他学科的知识，从而实现多学科思维的结合。学生在STEM 理念引导的课堂中，会对问题产生求知的欲望，进而主动查询知识找到解决问题的办法，有效提升了学生们灵活运用知识的能力。

（二）STEM教育能够发展学生的物理技能

发展学生技能是物理课程标准中提出的教学要求。STEM 教育理念强调做中学，注重创设实践操作活动，强调给学生提供动手、动脑的机会，通过实践学生既能透过现象发现规律，又能体验到探究的乐趣，还能锻炼操作技能。立足初中生的发展情况，在实施操作实践互动的时候，教师可以引导学生模仿，从模仿中实现“做中学”。比如，在引导学生学习“杠杆”的时候，教师联系物理与现实生活的关系，从生活搜寻杆秤，引导学生模仿制作杆秤，并利用制作的杆秤对物体进行称重。学生体验这样的模仿活动，借助自身的感知建立对杠杆的直接认知，便于发展物理探究能力，提高操作技能。

（三）STS教育能够成为STEM理念的载体

STS是科学science、技术technique、社会society三个单词的第一个字母的缩写，即科学技术与社会教育。STS教育强调知识的实用性和社会价值，注重科技前沿、生活实际等与物理学科的结合，注重引导学生从实际情景出发关注物理知识，体现了物理课程标准中“从生活走向物理，从物理走向社会”“注意学科渗透，关心科技发展”两个基本课程理念。STS教育能让学生了解自然界事物的相互联系，加强学科间的联系与渗透，关心科学技术的新进展，关注科技发展给社会进步带来的影响，逐步树立科学的世界观。STEM 教育中的跨学科并不是各门学科知识进行累加，而是强调知识之间的联系和整合，并将其运用到真实的情境中。可见，物理课程中的STS 教育与STEM 教育理念完美契合，STS 教育是STEM理念的重要载体。

物理新课程标准重点强调了物理与技术、社会的联系。课程内容有两个模块侧重物理学与社会科学、人文科学的融合，三个模块侧重从技术应用的角度展示物理学。近年来出现许多联系科技、生产、生活实际的新颖问题，是中考命题的一个重要方向。如2021年长春市中考物理试卷第7题：

气凝胶是当今世界上密度最小的固体。这种新材料具有隔热、绝缘能力强、坚固耐用等特点。这种材料不适合制作（ ）。

A.用电器绝缘外壳 B.导线 C.冰箱隔热材料 D.墙体保温板

本题的素材来自人教版八年级物理上册中STS部分的内容，如图1所示。

图1 教材中的某一STS内容

STEM 教育理念强调创设情境，以项目式教学开展学习活动。在科学探究过程中小组合作设计方案，反思交流进行修正，形成最终产品并解决实际问题。基于STEM 教育理念的物理学习活动强调任务驱动教学，学生在问题驱动下搜集资料合作探究，从而更深入理解物理概念以及物理本质。设计探究方案的过程有利于培养学生的科学思维方法与建构模型的能力，与此同时，科学推理过程能够让学生正确认识科学本质，形成实事求是、追求科学创新的意识。物理学强调以观察日常生活与动手操作为基准，建构模型，在科学演绎中形成理论体系。综上所述可知两者都是基于自然现象，使学生通过观察、思索、探究等环节解决问题，因此将STEM理念融入初中物理教学是切实可行的。

三、在物理教学中落实STEM理念的途径

（一）模仿制作，培养学生工科思维

初中生动手制作经验不足，教师可以降低难度，引领学生模仿制作，使其领悟装置的工作原理。在教师的引导下，学生以项目驱动为载体，通过小组合作的形式，最终形成实物作品。

例如“杠杆”的教学，教师可以给学生留实践作业，让学生结合自己的生活经验和杠杆知识尝试做杆秤。这个过程不仅会用到杠杆的平衡知识，还会运用数学和工程方面的理论。标注杆秤的刻度和单位时，需要学生清楚数理之间的关系，通过动手制作使工程技术理念根植于学生心中。［3］

又如“物体浮沉条件及应用”的教学，可以通过制作潜水艇培养学生“在做中学、在学中做”的工程思维。［4］在学生了解潜水艇的基本结构后，教师给学生提供制作的工具，引导学生利用浮沉条件的知识，以小组合作的形式进行潜水艇制作。学生动手制作体验潜水艇，能够在工程制作过程中培养学生的工程素养和技术素养，增强学生的物理模型建构能力。整个教学活动以STEM教育理念为基础，以设计制作潜水艇项目为驱动，是典型的STEM 项目的学习案例。

（二）科学探究，培养学生科学思维

2018年，钟柏昌教授将STEM 教育分为两个方向，一种为作品开发，另一种为科学探究。作品开发方向侧重形成实物成果，科学探究方向更侧重知识性成果的生成，如图2所示。

图2 STEM教育的主要方向

科学探究是指通过观察和实验提出物理问题，对该物理问题猜想质疑，然后设计实验方案得出结论并解决问题，最后通过交流评价深化对物理观念的理解并迁移应用。物理课程标准强调研究式教学模式，让学生在情境中掌握科学探究的流程。STEM教育理念提倡体验性及情境性的特点与科学探究式教学的特点不谋而合。笔者以“变阻器”一课的教学设计为STEM 案例，通过引导学生探究滑动变阻器的制作过程及如何使用滑动变阻器，研究落实STEM理念的过程。［5］

四、STEM理念下的物理教学设计实例

科学思维是物理核心素养的要素，STEM 理念是物理核心素养的重要载体，所以教师在教学中应关注学生科学思维的发展。“变阻器”教学设计以建构滑动变阻器的“结构”模型为思路，以学生实验为核心，以任务驱动为载体，培养学生的科学思维。［6］

（一）“变阻器”的教学设计

在STEM 理念下思考“变阻器”的教学设计，主要将STEM理念的第二个方向“科学探究”融入教学设计。将教学目标定位在以原理为根本、使用为关键，而这些都与变阻器结构紧密相关。因此，笔者在变阻器的教学实践中引领学生生成了知识性成果。

1.教学目标

（1）能说出滑动变阻器的构造，画出它在电路图中的符号，理解变阻器的工作原理。

（2）会把滑动变阻器正确连入电路来改变电路中的电流及用电器两端的电压。

2.素养目标

练习使用滑动变阻器，意在让学生在联系实际、解决具体问题的过程中巩固、深化和活化知识，看到自己在学习中的收获。新课标重科学探究，突出问题导向，强调真实问题情境，引导学生在不断探索中解决物理问题，发展物理核心素养。

3.教学重难点及突破

变阻器是初中物理电学实验器材的重要组成部分，变阻器的学习直接影响到伏安法测电阻、伏安法测量电功率的学习。本节的教学重点是知道变阻器的工作原理，教学难点是按照要求正确连接变阻器。为突出教学重点，教学的关键环节是教师引导学生考虑如何改变电路中小灯泡的亮度，进而引出通过改变电阻来达到改变电流的目的。突破教学难点的关键是让学生通过把变阻器接入电路的实验，体会并发现如何正确连接变阻器。

STEM 理念的最大特征是跨学科性，物理新课程标准中提出了跨学科实践板块，提到：突出问题导向，重视迁移能力的培养。创设联系生活、工程、社会等真实问题情境，引导学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题，通过观察、实验、设计和制作等活动，促进知识的跨学科迁移和整合，不断提高学生的技术意识、工程思维和动手操作能力。所以，在物理教学中应用STEM理念是非常必要的。

（二）“变阻器”的教学流程

1.注重思维连续，科学合理引课

教师在“变阻器”教学的引课环节可以从学生思维的连续性、降低思维障碍的角度考虑。选择用“移动”来改变灯泡亮度的“魔术”引入新课，更为科学合理。

教师在电路板上连接开关控制一个灯泡发光的电路，将电阻丝绕在电路板后，导线上连有磁体，闭合开关，灯泡发光，手戴磁戒指在电路板的前方移动，通过磁戒指和磁体的相互吸引力使灯泡的亮度发生明显变化，激发学生探究的欲望，进而提出灯泡亮度改变是电路中哪个物理量发生改变？学生知道是电流。进而复习提问改变电流的方法：改变电压和电阻。实验中应用的是哪种方法改变电流？学生知道是改变电阻。继续复习改变电阻的方法，从而顺利导入新课。

2.以探究为核心，以任务驱动为载体，内化科学思维

物理课程标准中提出科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式。笔者认为科学探究不一定要经历完整的探究实验过程。物理学中规律的得出或者物理实验器材的发明都体现了科学探究思想。基于此，笔者尝试以科学探究为核心、以任务驱动为载体，进行了“变阻器”的教学设计，以期使学生内化科学推理、质疑创新的科学思维品质。

在“变阻器”教学中，无论是通过滑片的移动判断灯泡的亮暗这一教学重点，还是如何正确连接变阻器这一教学难点，都需要学生对滑动变阻器的结构进行理解，所以笔者将变阻器的结构教学定为突破重难点的关键，教学过程中注重强化实验器材工作原理的过程性教学。图3是教师通过设问、合理引导，让学生经历把一根铅笔芯变成一个滑动变阻器模型的探究过程，帮助学生经历变阻器的制作过程，从而掌握科学的研究方法。

图3 用铅笔芯制作变阻器模型的过程

物理课堂教学应将物理现象背后的物理过程展现出来，让学生经历、体会原汁原味的物理问题，多创造他们亲身经历物理概念的形成过程，物理规律的发现过程以及物理问题的解决过程。教师应该多从物理的原始问题出发，立足于学生的认知规律进行引导，关注学生体验知识形成的过程，帮助学生掌握科学的探究方法，让科学探究方法成为学生树立探究意识的坚强后盾。

3.搭建低台阶问题，细化探究过程，培养严谨的科学态度

让学生经历将一根铅笔芯变成一个滑动变阻器模型的探究过程，需要教师精心搭建低台阶问题、细化探究过程。例如：将电阻丝缠绕在圆筒上时，是缠绕导体还是绝缘体；缠绕电阻丝时，是紧密缠绕还是留有缝隙；将彼此不绝缘的每一圈导线紧密挨在一起有什么问题；涂上绝缘漆滑片移动时只接触到了绝缘导线的外层，不能接触到里面的金属导线，无法将电路连通等。

虽然本节课上学生最终没有动手制作一个完整的变阻器，但是经历了变阻器的发明过程，培养了学生的科学探究意识。学生在学习过程中观察、实验、分析、质疑，不仅夯实了知识性内容，还在获得体验的同时掌握了解决问题的方法，提高了解决问题的能力。波利亚说：“在教一个科学的分支（或一个理论、一个概念）时，我们应该让孩子重蹈人类思想发展中的那些关键的步子，当然我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误，而仅仅是重蹈关键性的步子。”

4.经历自主探究，体会变阻器的使用

科学探究是获得物理知识和物理规律的重要手段，图4是“变阻器使用”教学中的学生实验电路，图5是实验探究表格。学生正是通过科学探究，运用归纳法总结出了变阻器的正确使用方法，使学生很好地理解了变阻器哪部分连入电路中。

图4 学生实验电路

图5 实验探究表格

学生通过探究和练习滑动变阻器的使用体验科学探究的方法，感受科学探究的过程，了解并掌握物理探究的基本流程和思维过程。在学生经历自主探究过后，对滑动变阻器的结构、原理及使用有了更深一步的认识，教师引领学生分析、总结将滑动变阻器连入电路要遵循什么原则。学生很容易想到应遵循“一上一下”的原则。

课堂中学生经历了自主探究和归纳总结的过程，学生参与了知识的获取过程，加深了对知识的理解，这样的学习过程培养了学生的分析推理能力，有利于养成学生物理科学思维，培养学生良好的科学思维品质。

五、结语

在STEM 理念的视域下，初中物理教师应尽可能找到创新教学的突破口，将提升学生的探究能力和问题解决能力作为教学关键。本文以STEM 教育方法为指导、以构建项目教学为主体进行了“变阻器”的教学设计，把多领域的知识进行融合，有效激发了学生兴趣，实现了知识整合，发展了学生的高阶思维，并改善了当前物理教学中存在的问题。将STEM 理念融于物理实验课中大大提升了教学的趣味性，培养了学生的认知发展和对物理概念的理解。［8］