基于STEM 教育的物理學(xué)習(xí)：STEM教育與傳統(tǒng)學(xué)科融合的一種嘗試

鮑建中

一組數(shù)據(jù)顯示，浙、滬兩地新高考物理學(xué)科“遇冷”——2017年高考浙江全省有29.13萬(wàn)考生，但是選考物理的只有8萬(wàn)人；在上海，實(shí)行新高考改革第一年，選擇物理科目的考生也僅占總?cè)藬?shù)的30%。除了其他一些原因，學(xué)生對(duì)物理學(xué)科缺乏興趣也是物理學(xué)科“遇冷”的重要原因。如何激發(fā)傳統(tǒng)學(xué)科的活力，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是每一個(gè)傳統(tǒng)科學(xué)學(xué)科需要思考的問題；另一方面，STEM教育如何利用傳統(tǒng)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)和資源打牢根基，也是人們?cè)谕茝VSTEM教育時(shí)應(yīng)該思考的問題。筆者認(rèn)為基于STEM 教育的物理學(xué)習(xí)是STEM教育與傳統(tǒng)學(xué)科融合的一種嘗試，也是一種相得益彰的路徑。

物理學(xué)研究的是所有物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是其他自然科學(xué)的基礎(chǔ)。在人們探索物理規(guī)律并運(yùn)用這些規(guī)律的過程中，飽含了豐富的探索研究問題的科學(xué)方法與智慧，為了讓學(xué)生在經(jīng)歷知識(shí)建構(gòu)的同時(shí)掌握科學(xué)方法養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，現(xiàn)代物理學(xué)習(xí)特別提倡做中學(xué)、玩中創(chuàng)的教育理念。這種教育理念和STEM 教育的初衷一脈相通，在初中階段探索基于STEM 教育的物理學(xué)習(xí)方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)提升科學(xué)素養(yǎng)的教育目標(biāo)有著非常重要的意義。

STEM教育與物理教育的比較

為更好找到STEM教育和物理教育的結(jié)合點(diǎn)，我們結(jié)合全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)和收集到的STEM教育的相關(guān)資料進(jìn)行以下簡(jiǎn)單的比較。

國(guó)際上普遍認(rèn)為，基本科學(xué)素養(yǎng)的主要內(nèi)涵包括三個(gè)方面：（1）對(duì)科學(xué)知識(shí)（科學(xué)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)基本觀點(diǎn)）；（2）科學(xué)方法；（3）科學(xué)技術(shù)及其對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響。其中涵蓋了解決問題的能力，所以不難看出STEM教育和物理教育的學(xué)習(xí)目標(biāo)幾乎是一致的，只是STEM教育更側(cè)重于實(shí)踐和問題的解決，物理教育則側(cè)重于物理知識(shí)的建構(gòu)和探究。但隨著社會(huì)的發(fā)展和物理教育理念的轉(zhuǎn)變，物理學(xué)習(xí)不再是單純的證實(shí)或證偽的知識(shí)學(xué)習(xí)，而是更加關(guān)注知識(shí)的建構(gòu)過程，即從生活常見的現(xiàn)象入手發(fā)現(xiàn)提出可探究的問題，進(jìn)而開展科學(xué)探究自主建構(gòu)知識(shí)，然后運(yùn)用所獲知識(shí)解決實(shí)際問題，甚至創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作出有一定實(shí)用價(jià)值的器物。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程學(xué)生就像科學(xué)家一樣經(jīng)歷著問題的提出、探究方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、科技創(chuàng)新，體驗(yàn)者科學(xué)探索的艱辛和興奮。其中既有科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)建構(gòu)，又有在知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上運(yùn)用技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的創(chuàng)新和實(shí)踐，所以，從某種程度上說物理學(xué)有著豐富的STEM教育素材，物理學(xué)習(xí)過程應(yīng)該是更完整的STEM教育。正如法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)進(jìn)而發(fā)明電動(dòng)機(jī)，瓦特看到壺蓋跳動(dòng)進(jìn)而改良蒸汽機(jī)，這些科學(xué)家從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明的過程不是只有物理，而是徹徹底底、完完整整的STEM，將STEM教育的理念與物理教育有機(jī)的融合才是真正的物理學(xué)習(xí)！

基于STEM教育的物理學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

基于STEM教育的物理學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)就是更加注重學(xué)生實(shí)踐的學(xué)習(xí)，在物理學(xué)習(xí)的過程中融入工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)相關(guān)內(nèi)容，倡導(dǎo)問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、做中學(xué)、玩中創(chuàng)的學(xué)習(xí)理念，學(xué)生學(xué)到的不只是物理概念、規(guī)律、方法、科學(xué)思維，不再只是滿足好奇心，而且還有他們自己的創(chuàng)新發(fā)明成果（創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案、自制教具、小發(fā)明、小創(chuàng)造等），讓學(xué)生看到的是完整的真實(shí)物理，體驗(yàn)到物理學(xué)的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生的巨大作用。為了達(dá)到以上的教學(xué)效果，主要做了以下工作。

確定研究問題，形成校本教材

物理學(xué)有自身較為完整的知識(shí)體系，教材的編寫一般也是按照這一體系編寫的，在學(xué)習(xí)的過程中通常從最基礎(chǔ)的知識(shí)開始，逐步完善，最后形成完整的知識(shí)體系，即從局部到整體的學(xué)習(xí)，其優(yōu)點(diǎn)是每一知識(shí)點(diǎn)的問題較小、困難小、便于學(xué)生理解，但是學(xué)后學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生“為什么要學(xué)習(xí)這些知識(shí)”“學(xué)后這些有什么用”的疑惑，造成目的不明確、被動(dòng)學(xué)習(xí)的結(jié)果，不太適合開展STEM教育。因此我們嘗試整合了現(xiàn)有物理教材，逐步形成適合開展STEM教育的校本教材。首先確定學(xué)習(xí)主題提出明確的研究問題，布置課題任務(wù)，提供相應(yīng)的器材和材料，小組成員合作完成任務(wù)，反饋交流任務(wù)成果，改進(jìn)完善成果。以內(nèi)燃機(jī)的學(xué)習(xí)為例，教材編寫主要突出以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

1.主題任務(wù)：認(rèn)識(shí)內(nèi)燃機(jī)及其工作原理；

2.做一做：利用一次性注射器、壓電陶瓷點(diǎn)火器、酒精等器材制作一個(gè)酒精槍；

3.議一議：注射器的活塞為什么會(huì)被打出去？

4.想一想：要想使活塞再次發(fā)射出去，應(yīng)該解決哪些問題？如何解決？

5.看一看：小型單缸四沖程汽油機(jī)有哪些部分組成？它是怎樣工作的？

6.我能行：安裝小型單缸四沖程汽油機(jī)模型；

7.我最棒：展示介紹自己的任務(wù)成果，分享學(xué)習(xí)收獲。

我們認(rèn)為STEM教育教材的編寫，應(yīng)該使學(xué)生對(duì)主題任務(wù)有一個(gè)整體了解，然后為了完成任務(wù)將主題任務(wù)分解為一個(gè)個(gè)需要解決的問題，在問題解決的基礎(chǔ)上達(dá)到提升科學(xué)素養(yǎng)的目的。在學(xué)習(xí)中學(xué)生經(jīng)歷的是從整體到局部，再由局部到整體的認(rèn)知過程，更有利于學(xué)生帶著問題和任務(wù)有目的地學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力更足、成就感更強(qiáng)。

激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，保護(hù)培育好奇

初中生已經(jīng)具備了基本的數(shù)理推導(dǎo)、圖形設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)以及小學(xué)科學(xué)基本知識(shí)，他們對(duì)生活中眾多的物理現(xiàn)象充滿了好奇。神奇的有趣的現(xiàn)象、具體實(shí)在的器具，制作、設(shè)計(jì)、探究的過程等好玩有趣的事情都能深深吸引著他們。滿腦子的“是什么、怎么樣、為什么”是他們努力前行的原動(dòng)力，教師的工作就是要激發(fā)出他們腦子中更多的問題，讓他們的好奇心求知欲長(zhǎng)存。為此基于STEM教育的物理學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中的資源選取要特別注重趣味性和參與性，讓每一位學(xué)生利用簡(jiǎn)單的器材都?jí)蛲瓿?，并從中學(xué)到知識(shí)掌握方法。

比如在摩擦力主題學(xué)習(xí)時(shí)，可以在學(xué)生體驗(yàn)環(huán)節(jié)上設(shè)計(jì)“直繩提瓶（一根沒有打結(jié)的繩子，插入瓶中后翻轉(zhuǎn)后再正過來，拉住繩子瓶子不會(huì)落下。）”“落、停自如的小球（一根細(xì)繩從球中穿過，兩手分別拉住繩子兩端，小球可以在你的指令下停在繩子的上或下滑。）”等小魔術(shù)，以及“奇怪的拔河比賽（一位大力士男生與一位小女生用一根金屬桿拔河，結(jié)果男生竟輸給了女生?。薄白ネ氡荣悾▋芍幌嗤耐氲箍墼谧烂嫔希屢晃淮罅κ磕猩c一位小女生分別去抓這兩只碗，男生怎么也抓不起來，女生反能輕松抓起！）”等參與性游戲，讓學(xué)生在做中認(rèn)識(shí)摩擦力，在玩中體驗(yàn)?zāi)Σ亮?，再帶著自己的問題和猜想探究影響摩擦力大小的因素，最后制作“氣墊光盤（將光盤和氣球組裝在一起，模擬氣墊船的工作原理。）”“向上爬行的小木板（一根繩子依次穿過粘在木板面上側(cè)立的四個(gè)螺母，再將繩子的中間掛在鉤子上，交替拉動(dòng)繩兩端，木板自動(dòng)上行。）”。

問題引導(dǎo)學(xué)習(xí)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)發(fā)展

提出可探究的科學(xué)問題不僅可以看出一個(gè)人的科學(xué)素養(yǎng)水平，也是科學(xué)研究和學(xué)習(xí)的開始，所以基于STEM教育的物理學(xué)習(xí)應(yīng)特別關(guān)注激發(fā)學(xué)生的問題。通?？梢圆捎妙惐?、逆向思維、神奇的現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生提出問題，比如可以類比機(jī)械能幫助學(xué)生建立內(nèi)能的概念，并提出“物體內(nèi)能與分子運(yùn)動(dòng)速度有什么關(guān)系？”等問題；奧斯特實(shí)驗(yàn)說明了電流周圍有磁場(chǎng)，運(yùn)用逆向思維，便可提出“利用磁場(chǎng)能產(chǎn)生電流嗎？”；通電后喇叭可以發(fā)聲，老師將喇叭接入擴(kuò)音器的話筒插口，再對(duì)著喇叭說話，擴(kuò)音器竟發(fā)出了說話聲！這種神奇的現(xiàn)象激發(fā)出學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望。

STEM教育最突出的特點(diǎn)就是要解決具體問題，所以，在提出問題的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、探究物理規(guī)律，運(yùn)用規(guī)律開展發(fā)明創(chuàng)新都是具體問題，用這些任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)使他們感到學(xué)而有物、學(xué)而有果，讓他們真切體驗(yàn)到成功的愉悅從而樹立自信。比如，在電磁作用主題中，學(xué)生利用飲料瓶、磁鐵和線圈制作了揚(yáng)聲器，還有的同學(xué)將磁鐵隱藏起來，線圈繞在硬紙板面上，當(dāng)連接音箱的硬紙板靠近磁鐵時(shí)，紙板便會(huì)“唱歌”！做成了一個(gè)名副其實(shí)的魔術(shù)道具。

基于STEM教育的物理學(xué)習(xí)前景

融入STEM教育的物理學(xué)習(xí)是對(duì)當(dāng)前物理教與學(xué)的嘗試和探索，是在杜威的“做中學(xué)”教育思想基礎(chǔ)上的教育實(shí)踐的研究，這種物理學(xué)習(xí)方式最大現(xiàn)度地保持了學(xué)生的好奇心，發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，給予了學(xué)生充分的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新空間，有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升和個(gè)性發(fā)展。更加令人高興的是，各地的中高考物理試題也正朝著開放、創(chuàng)新、實(shí)踐性更強(qiáng)的方向改進(jìn)，必將會(huì)有力地推動(dòng)STEM教育在物理學(xué)習(xí)過程中的融合與發(fā)展！

作者單位：北京教育學(xué)院附屬豐臺(tái)實(shí)驗(yàn)學(xué)校分校endprint