高中物理实验教学中STEM教育理念的应用

彭大琴

摘 要：STEM教育理念是在教育领域中提出的一种新兴的教学理念，是指科学、技术、工程和数学相结合的一种教学模式。通过这一教学模式的运用，不仅可以强化学生对物理实验知识与技能的掌握，同时还可以培养学生在物理实验中养成较好的思考习惯和独立思考的能力。文章以 STEM教育理念为指导，结合当前我国高中物理实验教学的实际情况，探索把 STEM思想移植到实验教学中的策略。

关键词：高中物理；实验教学；STEM教育理念

随着我国教育事业的不断发展，在高中物理教学中，培养学生的全面素质与能力，是当前高中教育工作的重中之重[1]。在高中物理教学中，物理实验是提高学生综合素质和能力的一个重要手段。STEM教育理念作为一种新的教学理念，打破了传统实验教学模式，强调跨学科学习，让学生在实际问题中发现和解决问题。在高中物理实验教学中应用STEM教育理念，不仅能够激发学生对物理学习的兴趣，还能够培养他们获取知识、解决问题的能力。

一、关于“STEM教育理念”

（一）STEM教育

STEM是科学、技术、工程、数学四门学科英文首字母的缩写，它的中心思想是“以学生为中心”和“跨学科”，即从“科学、技术、工程和数学”四个方面培养学生的创造性思维。STEM教育是指在教师指导下，由学生组成学习共同体，通过探究、合作完成一个或多个具有综合性、探索性、创造性的问题解决的过程。在这个过程中，学生之间相互合作，共同探索问题解决方案。通过这个过程培养学生的探究能力和解决问题的能力以及创新精神。关于STEM的概念，学术界有三个不同的认识：一是“后设”，即在完成与STEM有关的教学后，再将STEM的知识综合应用到教学中，两者是平行的。第二类是单独的，它是将STEM的相关知识整合在一起，取代了传统STEM的教学模式。第三种观点认为STEM教学是一种在传统教室中应用的学习策略，旨在使学生在现实生活中综合应用所学到的知识。文章将探讨在传统的分科教学中，STEM教学思想的运用，使学生能将所学的学科知识结合起来以解决问题。比如：在物理摩擦方面，学生可以自行设计摩擦测试的方法，自己动手做一台滑摩力演示装置，这样既能提升学生的物理素质，又能提高他们的工程技术和数学能力。

（二）STEM教育理念

STEM教育是一种强调科学、技术、工程与数学（Science，Technology，Engineering，Mathematics）之间密切联系的教育模式，其目的是培养学生在未来社会中解决实际问题的能力。在这种教育理念下，科学、技术、工程与数学，四大学科门类之间相互滲透、相互融合，通过探究式教学（InquiryTeaching）和项目学习（Project-based learning）等途径开展的学习活动。因此，STEM教育中的“STEM”不是指单一的学科或领域知识，而是指将科学、技术、工程与数学相融合的一种跨学科的综合教育模式。STEM的核心理念是把科学、技术、工程、数学四大学科有机地结合起来，以问题为中心，主动探索，增强现实与知识规律的联系，提高学生的多学科解题能力。在STEM教学思想指导下，学生可以对所遇到的问题进行分析，将所学知识进行系统化，将各个学科之间的知识规则结合在一起，形成自己的理论。STEM教育理念应用到学生的学习中，培养学生的综合能力，通过动手做、完成项目等活动，培养学生解决实际问题的能力。STEM教育理念中强调实践和体验是重要组成部分，将动手实践活动贯穿于整个课堂中，让学生在动手实践过程中来培养自己的动手能力和创造力。学生在获得知识和技能的同时也获得了更多独立思考、合作交流、动手操作等方面的经验。

（三）STEM教育理念的特征

第一，注重学生的学习，注重学生在学习中的主体性，通过探究和合作学习，使学生通过探究和合作学习获得知识和技巧。第二，跨学科。将科学、技术、工程和数学作为一种教育元素融入教育教学中，使其相互融合，充分体现跨学科特征。第三，强调解决实际问题。把科学（实验）和工程设计整合在一起，不仅能够设计出巧妙地解决问题的方案，还能够通过使用这些工具、技术、方法等解决实际问题。第四，以探究为核心。强调在教学过程中激发学生主动学习的热情，通过提出问题和设计实验来促进学生的主动探索活动，引导他们自主发现问题并解决问题。第五，注重过程体验，以学生为中心，强调从体验中获得知识与技能。第六，突出项目学习。强调学生在真实的情境中运用知识和技能来解决实际问题，为他们提供与真实世界互动的机会。

二、高中物理实验教学中应用STEM教育理念的价值

（一）强化物理实验教学效果

物理实验教学的目的就是让学生在学习过程中获得一定的知识和技能，通过实验来验证一些理论知识。在进行物理实验教学时，应充分发挥学生的求知欲，使其更好地了解和认识物理。同时，教师还可以运用STEM教育理念，帮助学生分析、理解物理概念、定理和公式，激发学生学习物理实验课程的兴趣和积极性。在对学生进行教学时，教师应尽量避免枯燥乏味的教学方法和教学手段，提升物理实验教学效果。

（二）有利于学生物理学科核心素养的培养

在高中物理教学中，应通过对物理知识的正确使用，培养学生的科学态度和创造精神，从而促进学生的全面素质的提升。在高中物理实验教学中应用STEM思想，能够提高学生的思考和动手能力。首先，STEM教育理念在高中物理实验教学中可以帮助学生形成对事物本质属性的认识，引导他们深入地思考问题；其次，STEM教育理念在高中物理实验教学中可以培养学生科学探究精神，让他们积极地去发现问题、解决问题；最后，STEM教育理念在高中物理实验教学中，可以培养学生的合作意识和团队精神。这三方面对提升学生的物理学科核心素养有着重要作用。

（三）有利于学生的生涯规划教育

高中物理实验教学活动可以让学生了解和掌握现代社会的发展需要，让学生从客观角度认识到社会对人才的需求，了解不同行业对人才的基本素质要求，进一步激发学生学习物理学科的兴趣，并且通过学习和探究提升自身的实践能力[2]。从长远角度来说，还可以加深学生对个人职业发展目标的认识与理解，帮助学生在未来选择与自身相符合的职业。例如：通过设计一款新型火箭模型来激发学生学习物理实验的兴趣和热情，让他们在探究知识和解决问题的过程中认识到自身需要努力奋斗的目标，使学生具备科学、理性地开展生涯规划教育，培养未来人才所具备的素质和能力。

三、高中物理实验教学中STEM教育理念教学现状

（一）物理教学和STEM教育理念相脱节

在物理实验教学中，将STEM教育理念融入其中，能够加强学生对物理实验的兴趣，但是目前在实际的高中物理实验教学过程中，教师并没有将STEM教育理念有效渗透到物理教學过程当中，导致学生对这一教学理念学习的兴趣不高。这主要是由于教师在设计物理实验课时存在一定的问题，教师没有根据学生对该科目的学习能力和学习水平制订相应的教学方案。同时，教师并没有根据这一课程特点加强对学生实践能力方面的培养。此外，教师没有认识到STEM教育理念在提高学生综合素质方面所发挥出的重要作用，导致在开展高中物理实验教学时不能合理地将STEM教育理念应用到其中。因此，这在一定程度上阻碍了STEM教育理念在物理教学过程中作用的发挥。

（二）缺乏有效的教学设备

在实际的高中物理实验教学过程中，STEM教育理念的运用受其硬件设备的影响，目前高中物理实验教学中并不能有效利用该理念进行教学，这主要是由于这种先进教学理念和技术并不是每个学校都有[3]。目前来看，许多学校已经有了多媒体教学设备，但大部分情况下，这些设备都是教师用来辅助教学的，学生无法接触先进的物理实验仪器，导致他们在日常学习过程中无法对这些实验仪器产生一定印象，所以如果不能有效地利用多媒体技术等先进技术来辅助物理实验课程的话，STEM教育理念的应用效果就会受到一定影响。

（三）物理实验不能充分体现出STEM理念

从目前的物理实验课程开展情况来看，并不能将STEM教育理念体现出来，很多教师在教学的过程中，只是一味将实验操作教学进行下去。比如：在对学生进行基本实验操作训练时，并不能真正地运用STEM教育理念中所蕴含的相关知识内容，很多教师只是简单地将物理实验进行下去，并没有将其融入STEM教育理念中，因此学生所获得的知识并不能真正体现STEM教育理念所蕴含的价值，最终产生厌学情绪，对物理实验课程失去兴趣。

四、STEM理念在高中物理实验教学中的应用路径

（一）STEM教育理念下演示实验教学策略

演示实验是一种直观的教学方法，它有别于小组实验、专题研究，它是教师演示物理实验的基础。然而，这种教学方法也有其不足之处：学生对知识的吸收比较慢，缺乏积极的提问与思考，缺乏创造性思维的培养。针对这一问题，在实验示范环节，采用学生做示范，由学生代为完成全部操作，能够激发学生的学习热情，增强学生的自信心。学生上台操作，这是一个很好的实践活动，既可以使学生掌握实验过程，又可以培养他们的动手能力，使他们更好地了解实验的效果。此外，学生亲自动手做实验，可以增强学生的参与感，营造良好的课堂氛围；同时也有利于学生的精神高度集中，学生通过操作步骤，质疑，加深对实验所学知识的认知。实验结束后，由教师指导，由学生自己进行总结，以提高学生的参与感、体验感。例如：“互感现象”实验要求1个MP3、2个磁芯线圈（L1、L2）、1个音频和2名学生做实验。学生A在一个线圈L1上连接MP3的输出，学生B连接到另外一个线圈L2上。在学生A放音乐的时候，里面传来了一首歌。两名学生调节两个线圈的间隔，改变音响中的声音状态。此时，学生可能会感到惊奇，而且会产生这样的疑问：这是怎么回事？教师顺势引入“互感现象”这个概念，让学生在实验过程中对现象进行仔细观察和思考，最终了解“互感现象”的表象和本质。通过演示和实验，使学生能够更好地掌握新知识，并促使学生的学习积极性得到充分调动。所以，要转变教学思维方式，继续探究新的教学模式，让学生亲身体验，提高他们的自学能力。

（二）STEM教育理念下小组实验教学策略

虽然传统的分科教学方式对教师进行授课有利，但是在综合应用学科知识方面却存在着一定的劣势。随着分科教学的弊端呈现，学科整合已经是一个新的发展方向。因此，在组织学生开展团体实验时，应注意引导学生运用跨学科知识，以解决目标问题，培养学生跨学科思维的STEM特征。例如：在进行“双缝干涉法测光波长”这一内容的教学时，可以让学生动手自己组装双缝干涉装置，以帮助学生更好地理解工程知识，让其工程学思想得到培养；在“测汽车速度与时间的关系”部分，通过所获得的图片，推导出相应的公式，学生的综合运用能力得到了提高；在“单摆测重力加速度”部分，学生可以制作一只单摆的模型；在全反射区，学生可以制作一个潜望镜。通过团体实验，可以更好地促进学生的学科融合，从而运用不同的学科知识，更好地解决实际问题。

（三）STEM教育理念课题研究教学策略

教师出示下列短片：一个人在公路上散步、奔跑、站在一辆高速行驶的敞篷车里，可以看到他受到的阻力在不断增加；鸟类的外形差不多，鸟类在空中所受的阻力也不大；狂风过后，小树比大树倒得多得多。教师在学生看了录像之后，请学生就每个短片所展示的问题进行讨论，找出有价值的地方，并给出原因。例如：学生提出的题目是关于“物体所受气流阻力的大小与速率”的关系。教师接着讲，在这个实验中，我们发现，气流的阻力和对象的尺寸和形状有关[4]。所以，在研究物体受到的空气阻力和速度之间的关系时，还需要考虑其他的因素。在此基础上，可以气球为实验目标，并将相同的气球体积维持在恒定的状态，来探讨球状物体在空中飞行时的阻力与速度之间的定量关系。教师要求学生做一个关于“气球着陆”的游戏。也就是说，把一个物体挂在气球的底部，让它自由地下降，这样，学生通过观察它的动作来判断它的速度。然后，教师让学生分组讨论如何计算气球的速度。根据上述的理论最终得出：在空中飞行时，气球受到的阻力与其速度是成比例的。由此可以推测，球体受到的空气阻力和其移动速度是成比例的。

结束语

STEM教育思想在高中物理实验教学中的运用，对高中物理实验教学产生了深刻的影响，能够促进高中物理实验教学实践和STEM教育的实施。但是，教师还需要构建相应的课堂模式、教学方法，使其发挥应有作用，同时，也要在实践中不断总结和反思。将STEM教育理念与物理实验教学相融合是一种必然趋势。

参考文献

[1]刘小琴.STEM教育在初中物理电路部分教学中的实践研究[D].南充：西华师范大学，2018.

[2]张屹，赵亚萍，何玲，等.基于STEM的跨学科教学设计与实践[J].现代远程教育研究，2017（6）：75-84.

[3]吴晓天.基于高中物理实验活动的STEM教育实践[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2017.

[4]刘烨.STEM理念下的物理创新实验校本课程开发和研究[D].上海：上海师范大学，2017.