基于STEM 理念下高中物理实验教学分析

李江珊

（甘肃省武威第一中学，甘肃武威 733000）

STEM 即科学、技术、工程、数学的统称，指向对学生科学思维、技术能力、工程素养、数学品质的培养，与高中物理教学目标不谋而合。在STEM 理念影响下，教师在设计并组织高中物理实验教学活动的过程中应加强对学生用科学知识、技术手段、工程理念、数学思维解释并表达物理现象能力的培养，应注意多学科知识的融合、创造多形式教学活动，同时加强对科学、技术、工程、数学等领域教学手段的运用。

一、STEM 理念下的高中物理实验教学优势

STEM 教育理念下开展高中物理实验教学主要有以下优势：能够增强学生物理实验兴趣、可以深化学生物理实验能力、有助于促进学生自主探究知识。将STEM 理念运用在高中物理实验教学活动中实际上就是融入科学、技术、工程、数学等手段组织课程活动，是对传统教学模式、课程结构的颠覆性改革，能够为学生带来更多新鲜感。此时在新鲜感的作用下，学生必然会对课堂活动更感兴趣，从而增强对实验的参与热情。再者，由于融入了科学、技术、工程、数学等多学科知识，STEM 理念下的高中物理实验内容、形式也更加丰富，这可以让学生在参与的过程中增强兴趣和探究欲望，从而逐步提高学生的实践操作能力。

二、STEM 理念下的高中物理实验教学方法

（一）丰富概念教学，奠定实验基础

对物理概念形成科学认识和正确理解，是学生在实验中做出正确操作、得出客观结论的基础，学生只有准确理解物理学科的基本概念，才能在实验中利用概念解释物理现象、解决物理问题。因此，高中物理教师应首先丰富概念教学，提升概念教学的质量和有效性。简单来说，教师应该在STEM 环境下加强对学科概念的讲解，利用科学、工程、数学等领域丰富的材料说明教材知识，引导学生对教材介绍的理论展开科学思考，帮助他们对相关内容形成正确理解。凭借这一方式，学生能够从多学科角度解读物理概念，并对物理概念的理解更为深入且全面。但是纵观当前高中物理实验教学活动，大多数教师没有在实验正式开始之前讲解足够丰富的概念知识，也没有引导学生对教材概念展开更深入的科学思考，只是向其提出记忆概念的要求。在这样的状态下，学生难以在概念学习中形成良好的科学思维、无法对教材提及的物理现象产生足够科学的认识并对如何做实验形成明确认识，自然难以在后续实验操作环节有更科学的操作，其物理科学素养得不到更好发展。这直接提醒教师应合理利用科学、数学、工程、技术等知识内容解释教材概念，通过建立数学模型、编写技术程序等方式理解物理概念、应用物理概念，帮助学生建立更科学的概念知识体系。另外，在实验教学中教师也要鼓励学生利用建模等手段借助物理概念解释实验中出现的具体现象。这样一来，随着所掌握的概念不断增多，学生的科学思维逐渐深化，自然能够在实验中有更好的表现，进一步通过实验操作提升自身物理素养。

（二）运用技术手段，还原实验过程

在现代化和智能化的教育背景下，物理实验教学迎来了新的发展机遇，因此在STEM 理念下的高中物理实验教学必须加强对现代化技术手段的运用。利用虚拟现实和智慧教室等现代化的技术手段还原实验过程，能够帮助学生更直观地认识实验操作过程和现象，让他们对自己应如何操作形成更具体的理解。紧接着，融入技术手段开展实验操作，引导学生进入动手操作环节，并在操作的过程中不断加强对技术手段的运用分析，由此将学生的技术素养提升到新的层次。具体来说，高中物理教师在组织课程活动时可以适当融入技术手段，如通过技术手段在多媒体工具中展示实验操作过程。通过直观展示，对实验的每一步需要怎样操作、如何利用技术处理操作细节，学生均能形成更清晰的理解，进而提升自身实验操作的有序性、科学性、技术性。然而就目前来看，大多数教师在该方面表现得并不是很好，更习惯在课堂上以示范操作向学生解释如何做实验，忽视了对技术手段的合理运用，并且不注意控制示范操作速度和标准度，导致学生对一些细节性操作认识不够，影响了他们的操作标准度和规范性。面对该问题，为了更好地借助高中物理实验教学活动培养学生物理素养、技术能力，教师必须在提升个人实验技能和掌控信息素养的基础上积极运用技术手段组织教学活动。甚至在条件允许的情况下，教师还可以借助技术组织模拟实验操作，让学生在多媒体、互联网等技术工具的支持下进行模拟仿真操作，进而促使他们在不断加强技术运用和实践动手操作能力的同时提高自身的综合素养。

（三）提出研究课题，创设实验情境

基于STEM 理念组织高中物理实验教学活动，结合物理知识和STEM 理念提出研究课题、针对课题创设情境也是一个不错的选择，值得教师进行尝试。在高中物理实验教学中，面对基于STEM 理念提出的研究课题，在教师引导下充分调动主观能动性思考相应问题，学生可以轻松地对在实验中应该做什么、需要在实践操作中验证哪些物理知识形成客观认识。在此基础上，实验的目的性和针对性不断加强，学生也能有序地参与到实验活动中。同时，在实验情境的引导下，学生一边观察、分析情境内容，一边从中发现值得研究的物理现象，从而自主定位研究课题，这能够将学生的物理思维、科学探究能力、逻辑分析素养提升到新的层次。但分析当前高中物理实验教学活动，我们不难发现仍旧有一部分教师在课堂上选择直接组织学生做实验的方法，并未提前引导他们对研究课题展开讨论，更没有积极创设可以使其自主发现研究课题的情境。这使得学生的实验操作是较为被动的，限制了学生各项能力素养的发展。因此，在创新和调整高中物理实验教学活动的过程中，教师应在深度研究物理课程教学内容以及实验教学标准的基础上提高对研究课题与情境创设的重视程度，根据实际情况拟出恰当的课题，主动在学生实验操作之前提出课题并引导他们讨论课题。在课题的引领下，教师可以创设生活化、探究化的实验情境，为学生创造自由开放的实验环境。长此以往，学生在实际情境中验证学科知识、感受实验操作魅力，STEM 教育情境性得以满足，整体教学有效性得以增强。此外，学生对于物理知识在现实生活中的作用也更为了解，能积极调动数学、技术等方面的知识解决实验问题。

（四）自主设计实验，融入工程理念

无论是新课程改革还是STEM 理念教育要求，都以培养学生自主思维和能力为主要目标。这意味着高中物理STEM理念影响下的实验教学活动应加强对学生自主性的关注和引导，让学生自主设计实验并进行操作。同时，为满足STEM 对培养学生工程素养提出的要求，还应该在教学过程中融入工程理念，提醒学生融入工程思维、建构实验模型。基于此模式学生的自主性和积极性不断增强，他们既能通过自主实验掌握基础的实验技能，也能在实验的过程中合理地应用数学、技术等学科知识，进而探索出物理实验的最终结果。这种实验模式提升了物理实验教学的有效性，也契合物理教学的实际发展趋势。然而在当前高中物理实验教学活动中，工程理念的融入和学生自主参与的积极性都存在明显的不足。一些教师在课堂上一味地引导学生按照教材介绍的操作步骤建构实验模型，没有鼓励学生自主探究其他模型建构方法，导致学生的实验操作缺少自主设计，降低了学生对实验操作乐趣的感知，从而影响了整体教学效果，阻碍了学生工程素养的发展。因此，为让课程效用充分地发挥出来，高中物理教师在组织实验教学活动的过程中应该充分尊重学生自主性，在做好理论教学的基础上鼓励学生自主设计实验操作并融入工程理念建构物理模型，促进二者的有机结合，进而增强学生的理性思维和多元思维，让他们掌握物理实验的创新方法。这样一来，在自主设计中学生能够加深对知识的理解，并通过融入工程理念实现对实验操作的迁移思考，提高自身的综合学习能力。

（五）启发数学思维，实证推进实验

高中阶段的物理教学需要学生具备综合性的思维，而物理中蕴含着大量数学知识，大部分实验都需要应用数学逻辑思维来解决，如果教师能够基于STEM 教育理念将数学知识融入实验教学中，那么物理实验教学的进程将会发展得十分迅速。因此，基于STEM 理念设计高中物理实验教学活动还需要启发学生的数学思维，引导学生根据具体的物理实验内容选择对应的数学学习方法展开实验，带领他们在数学实证中推进实验操作、验证教材理论。通过应用数学逻辑思维进行实证推理，最终得出与教材理论相符的结论，学生不仅可以加强对学科知识的理解和认识，还能继续深化自身数学逻辑思维，提升数学逻辑推理能力和科学实证素养。但是就目前来说，大多数教师设计的物理实验活动与数学相脱离，他们没有在课堂上及时启发学生运用数学思维思考实验操作问题，也没有主动引领学生用数学实证手段推理结论。在该情况下，学生虽然可以通过基础操作得出正确的结论，加深对物理知识的理解，却难以正确认识数学思维在物理学习活动中的重要意义，无法在实验操作中更好地提高数学逻辑思维能力。对此为了进一步规避该问题，高中物理教师必须在组织实验教学活动时积极融入数学思维，以数学教学中的数形结合思想、方程计算公式等元素作为辅助物理实验的内容，及时启发学生利用数学思维思考、验证问题，让他们寻求物理实验的简便方法，并能得出正确的实验结果。久而久之，在数学、物理与实验的不断融合中，学生的数学素养、物理品质自然能够实现协同提升。

（六）记录实验数据，进行科学分析

总结和分析是物理实验中的重要环节和步骤，教师如果能够对实验数据进行综合分析并找出其中存在的问题，那么在日后的教学中便能集中解决问题，以此提升实验教学的效果。以此为根据，基于STEM 理念的高中物理实验活动，教师应加强对学生记录实验数据和科学分析各项内容的指导。这是因为高中阶段的物理实验教学活动不仅是为了让学生做实验、动起来，更是为了培养他们的运用并理解科学知识的能力，进而培养学生积极的科学探究意识和良好的科学分析能力。因此在实践操作过程中，高中物理教师应提醒学生细致记录各项数据，通过实验记录册或者电子文档的形式将实验中出现的各项数据分门别类地记录下来，并引导、帮助他们深入分析各项数据传递出来的信息，了解实验中存在的具体问题或者遗漏点。然而事实上大多数教师在现阶段组织高中物理实验教学活动时存在学生未及时、准确记录实践操作数据以及师生缺乏对数据的严谨分析等问题。一些教师只是要求学生结合自己看到的现象阐述结论，没有要求他们根据自己获得的数据分析结论。在该状态下，学生对现象的思考和认识停留在表层，不仅无法很好地提升科学分析素养，甚至还会出现物理探究能力发展受限的情况。因此，无论是从规避上述问题的角度出发，还是站在提高STEM 理念下高中物理实验综合教学水平的立场上，教师都应该在组织活动时严格带领学生记录并分析数据，鼓励他们将记录数据、分析数据作为常规化的学习活动，以激励教育的形式考核和评价他们记录和分析数据的真实能力，同时加强对数据分析的科学性控制，以便更好地实现对其科学素养的培养，增强物理实验教学的效果。

三、结语

总而言之，新课程改革要求高中基础教育培养全面发展型人才，STEM 与高中物理实验教学的融合是必然之举。基于STEM 理念组织高中物理实验教学活动，有助于增强学生物理实验兴趣、促进学生自主探究知识并深化他们的动手操作能力，最终借助实验教学实现培养学生良好科学、数学、技术、工程素养的综合性教育目标。高中物理教师在设计、组织教学活动时应加强对STEM 理念的分析与对应创新教学手段的运用，以便更好地优化高中物理实验教学，促使学生在STEM 视角下各项基础素养获得均衡发展。