中學物理探究型STEM教學模式

馬瑛瑛 劉健智

摘 要：為了保證STEM教育更具操作性，物理教學中融入STEM教育是一條合適的路徑?；赑BL教學的以問題及其解決為線索的教學模式，再融入技術(shù)環(huán)節(jié)，可形成物理探究型STEM教學模式，該模式主要包括組建小組、提出STEM探究問題、解決問題、問題拓展、總結(jié)交流五個環(huán)節(jié)。以初中物理“探究電動機工作原理”為例，介紹了探究型STEM教學模式下的教學活動設(shè)計方案，并進行了教學反思。

關(guān)鍵詞：STEM教育;中學物理;探究型STEM;教學模式;電動機工作原理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）1-0065-5

為了應(yīng)對智能制造時代，培養(yǎng)復(fù)合型、技能型與創(chuàng)新型人才的STEM教育應(yīng)運而生，我國推出了很多成功的STEM教育的案例[1-4]。STEM教育有三種課程路徑：選修課程、綜合課程和基于某一學科的教學模式[2]。我們認為，第三種路徑最優(yōu)，因為這種模式可以促進大多數(shù)教師STEM素養(yǎng)的提升;可以讓STEM教育的受眾為全體學生;可以避免課程數(shù)量增多導(dǎo)致學生負擔增加的弊端。物理適合融入STEM教育是因為它與STEM聯(lián)系緊密，物理實驗已經(jīng)體現(xiàn)了科-工整合的思想[3]。因此，有必要構(gòu)建有效的基于物理教學的STEM教學模式。

我們贊同將STEM教育的應(yīng)用模式分成驗證、探究、制造和創(chuàng)造四大類型[4]，因為驗證型側(cè)重科-數(shù)整合，探究型側(cè)重科-技整合，制造型側(cè)重科-工整合，創(chuàng)造型則注重全面整合和學生創(chuàng)意的實現(xiàn)。從驗證到創(chuàng)造逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力，逐步將學生從“技能型”培養(yǎng)成“創(chuàng)造型”的人才。

1? ? 從驗證型到探究型物理STEM教學模式

探究型STEM教學是將探究式教學與STEM教育理念進行整合后的一種新的教學策略或方式，是在獲取物理知識的基礎(chǔ)上，突出知識的關(guān)聯(lián)性、廣泛性和融合性。它是以問題為切入點、以問題鏈為核心、以問題解決為主線，側(cè)重于科-技整合，在問題的解決過程中自然地讓學生體驗、領(lǐng)悟?qū)W科融合的思想，建立學科間的橫向聯(lián)系，增強STEM素養(yǎng)，為提升創(chuàng)造力鋪平道路。

從驗證型到探究型的過渡，主要體現(xiàn)在問題的提出、能力的提升、教學的組織這幾個方面，體現(xiàn)了認知的進階，見表1。

2? ? 基于PBL的物理探究型STEM教學模式

探究型教學以問題解決為課堂主線，我們主要借鑒PBL（problem-based learning）項目學習法[5]構(gòu)建探究型STEM教學模式。

2.1? ? PBL教學與STEM理念不謀而合

與傳統(tǒng)的LBL（lecture-based learning，基于授課的學習）[6]相比，從STEM視角看，PBL教學模式具有以下具體功能。

（1）培養(yǎng)學生的問題意識。以問題為出發(fā)點，每節(jié)課均有一個中心主題即主問題，例如，“生活中的圓周運動”的主問題是“如何尋找日常生活中的圓周運動的向心力”;“加速度”的主問題是“探究速度變化快慢的描述方法”。以問題及其解決為課堂教學思路，這與STEM教學是一致的。

（2）培養(yǎng)問題的解決能力。PBL教學中，主問題由若干問題鏈即小問題構(gòu)成，每個問題的解決過程都是培養(yǎng)問題解決能力的過程。例如，“加速度”的教學基本思路是[7]：①提出問題：速度變化快慢如何描述;②探究問題：用比值描述;③解決問題：這個比值被定義為加速度;④引發(fā)新問題：加速度的方向，拓展延伸。得到了能夠描述速度變化快慢的比值，問題就得到了解決?？梢耘囵B(yǎng)學生的問題解決能力，如提出問題、確定思路和歸納總結(jié)的能力，也可以提升科學探究中的問題、證據(jù)、解釋、交流等物理學科核心素養(yǎng)。

（3）問題解決即探究過程。探究分為狹義的實驗探究和廣義的理論探究。探究的問題都是學生在之前沒有學習過的新知識，就PBL教學來說，探究的問題就是要通過探究后解決的問題，如上述“加速度”的PBL教學活動就是理論探究，通過科學推理得出“速度變化的快慢可以用速度的變化量與所用時間的比值來描述”。

（4）提高教師的教學設(shè)計能力。PBL教學模式中的主問題和小問題鏈是教學的“大抓手”和“小抓手”，它們構(gòu)建了教學內(nèi)容和環(huán)節(jié)，“小抓手”為教師有效組織和設(shè)計教學活動提供了很好的邏輯思路。對教師來說，利用PBL教學模式進行教學，要提出具有探究或需要解決的問題，并預(yù)設(shè)問題解決過程中的問題鏈，因此能夠培養(yǎng)教師的教學設(shè)計能力。

（5）為探究型教學提供現(xiàn)實支持?；谝陨系挠懻?，PBL教學模式對以學科融合為重要特點的STEM教學提供了一種新的思路，如果在PBL教學模式的基礎(chǔ)上，以物理問題為主線，突出科-技整合的內(nèi)容，且“以問題為經(jīng)，以學科為緯”[8]加強教學內(nèi)容的探究性，就可以構(gòu)建探究型物理STEM教學模式。

2.2? ? 探究型STEM教學模式的構(gòu)建

基于PBL教學模式，我們構(gòu)建出探究型STEM教學模式的以下幾個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

（1）組建小組?？勺杂煞纸M，但要注意小組成員知識和能力的差異，如小組內(nèi)有的數(shù)學基礎(chǔ)好、有的思維活躍、有的動手能力強、有的做事耐心細致。

（2）提出問題。問題要由學生在教師的引導(dǎo)下根據(jù)具體情境自己提出，所以需要教師創(chuàng)設(shè)情境。問題可以是項目形式，需要教師積極挖掘身邊素材。問題的設(shè)置既要聯(lián)系教學內(nèi)容，還要能夠激發(fā)學生的探究欲望，適應(yīng)學生的最近發(fā)展區(qū)。

例如，筆者之前在學校開展過一節(jié)“探究磁懸浮的奧秘”，它的背景是速度可達500 km/h的“超級高鐵”。要有更快的運行速度，就需要將列車與軌道間的摩擦力降低，而磁懸浮技術(shù)的發(fā)展為該項發(fā)明提供了思路，且還具有能耗低、噪音小的優(yōu)點。學生在進入電與磁的學習時，就可以拓展一節(jié)探究型STEM教學“磁懸浮技術(shù)”，將它“搬”到實驗室或教室，探究如何實現(xiàn)懸浮。如果把“列車”換成“手頭的筆”，是否可以成為“懸浮筆”的問題。

那么，接下來整個課堂活動都是為了解決這個問題。

（3）解決問題。這一步驟包括確定方案、實施方案和問題解決幾個環(huán)節(jié)。

確定方案：問題提出后，在教師的引導(dǎo)和幫助下，或者小組之間比較各種方案的優(yōu)劣后，確定最合適的方案。

實施方案和問題解決：按照預(yù)定的解決問題的方案來進行。在解決問題的過程中遇到若干小問題時，需要調(diào)動已有的知識和能力進行解決。解決了若干小問題，主問題自然被解決。如果問題沒有得到解決，嘗試重新確定方案，再實施方案。

在這一階段，教師可以根據(jù)學生的認知水平靈活處理。比如，在上個案例中，筆者為了降低難度，避免學生操作時一頭霧水，先讓學生觀看懸浮筆的組裝視頻，再根據(jù)實驗材料確定方案：第一步，搭建底座磁場;第二步，搭建“磁性筆”。

（4）問題拓展。上一個問題得到解決后，通常會呈現(xiàn)出新的問題。解決拓展的新問題這個過程又重新進入上個環(huán)節(jié)。

例如，改變底座某幾塊圓形磁鐵的朝向，是否可以實現(xiàn)筆的懸??？

（5）總結(jié)交流。這是一個開放性環(huán)節(jié)，可以組內(nèi)交流，組組交流。交流的主題可以結(jié)合動手探究活動的過程性體驗，也可以對作品成果展開評價。目的是讓每個學生都有想說的欲望，在暢所欲言中鼓勵學生想說、敢說、愛說，大膽表達。最后，教師進行點評，歸納新知，真正實現(xiàn)生本課堂。

3? ? 教學案例設(shè)計：探究電動機工作原理

下面以“探究電動機工作原理”為例，說明如何構(gòu)建探究型STEM教學活動。

3.1? ? 設(shè)計意圖

體現(xiàn)STEM教學和探究性兩大特點。

STEM：在S、T、E和M學科中，側(cè)重科學與技術(shù)即S-T的融合，讓學生設(shè)計小小簡易電動機，其中涉及的技術(shù)問題有：如何使電動機持續(xù)轉(zhuǎn)動;如何優(yōu)化和改良這些技術(shù)。

探究性：以電動機原理為主問題，以主問題的解決作為教學的主線。鼓勵和引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計方案、解決問題，體現(xiàn)STEM教學從驗證型到探究型的跨越。

3.2? ? 教學分析

內(nèi)容分析：源于人教版九年級物理“電動機”，利用STEM理念、以問題為導(dǎo)向開展小組探究性學習，利用數(shù)學知識和計算思維進行數(shù)據(jù)的收集、分析和解釋，完成表2的學習內(nèi)容。

學情分析：九年級學生對電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象及其兩者的關(guān)系有了初步的了解，也具備了相關(guān)的數(shù)學基礎(chǔ)，能夠完成學習任務(wù)。

3.3? ? 活動設(shè)計

3.3.1? ? 創(chuàng)建小組

在教師的指導(dǎo)下，學生自行分成若干個6人小組。

3.3.2? ? 提出問題

創(chuàng)設(shè)情境：教師圖片展示生活中常見的電風扇、洗衣機、小玩具，短視頻展示其工作狀態(tài)。

提出問題：引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)“電動裝置叫電動機”，并提出問題：電動機是如何工作的。

3.3.3? ? 解決問題

確定方案：引導(dǎo)學生從演示實驗“靠近磁鐵的小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動”聯(lián)想到已學的知識“位于磁場中的磁體會受到力的作用”，提出解決問題的方案，即具體研究思路：用通電導(dǎo)線代替小磁針，它會在磁場中轉(zhuǎn)動嗎？

實施方案：

解決問題1 磁場中通電導(dǎo)線受的力

設(shè)計實驗：將閉合電路中的一部分導(dǎo)線放入勻強磁場中，接通電源，觀察其運動情況。

收集證據(jù)：由靜止開始運動（向左或向右）。

發(fā)現(xiàn)問題：運動方向為什么不同？

解決問題2 力的方向與什么有關(guān)

收集證據(jù)：小組合作探究后，全班學生得到表3的證據(jù)。

解釋結(jié)論：學生自行得出，教師進行歸納。

提出問題：如果將導(dǎo)線換成如圖2所示的線框，情況又將如何？

解決問題3 磁場中的通電線框如何運動

猜想假設(shè)：會轉(zhuǎn)動。

探究活動：設(shè)計“簡易電動機”

活動意圖：技術(shù)性活動，體現(xiàn)了STEM中科學（S）和技術(shù)（E）的融合。

小組合作：選擇所需器材并自行組裝。

材料：磁鐵、漆包銅線、金屬絲（銅絲）、導(dǎo)線、曲別針、木板、木塊、橡皮泥、熒光筆、圖釘、5號電池、工具（美工刀、膠帶、鉗子）等。

第一步：線框（圈）制作。有小組通過在熒光筆上繞上漆包線，做成圓形線圈;有小組在木塊上纏繞上多匝漆包線，再取下木塊得到矩形線框。為了固定形狀，將兩頭留出的一段漆包線繞在線框（圈）的兩端。最后，將線框（圈）最末端的3 cm左右的漆包線的漆皮刮掉，用來連接其他器材。

第二步：支架的制作。用金屬絲或曲別針做成支架，再用圖釘將其固定在木板上，最后將線框（圈）放在支架上。

第三步：組裝電動機。用橡皮泥將電池固定在木板上，將支架緊挨電池正負極放置，用絕緣膠帶將其貼牢。

第四步：磁場的創(chuàng)設(shè)。在線框（圈）的下方放上磁鐵，就做成了圖3所示的電動機模型。有小組選取兩節(jié)干電池用來增強電動機的動力，如圖4所示。

收集證據(jù)：線框通電后轉(zhuǎn)動了，但只轉(zhuǎn)了一個小角度。

分析數(shù)據(jù)：實驗與猜想不同。

[教師指導(dǎo)]這就是同學們設(shè)計的簡易電動機，它包括線框（能夠轉(zhuǎn)動）和磁體（固定不動）。

[學生發(fā)現(xiàn)問題] 通過受力分析，找到線框不能持續(xù)轉(zhuǎn)動的原因：如圖5所示，當線框在甲位置時，沿順時針轉(zhuǎn)動，直到位置乙;在乙位置，線框處于平衡位置，但由于慣性會越過該位置;之后，線框逆時針轉(zhuǎn)動又回來了。

解決問題4 簡易電動機持續(xù)轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)

設(shè)計意圖：這屬于工程方面的技術(shù)性問題，解決這個問題能夠很好地體現(xiàn)STEM教育理念。

猜想與假設(shè)1：

到達位置乙時對線框停止供電;

猜想與假設(shè)2：

通電線框位于后半周時改變其磁場方向;

猜想與假設(shè)3：

通電線框位于后半周時改變其電流方向。

收集數(shù)據(jù)1：

在線框到達位置乙時立即將開關(guān)斷開，線框確實能夠沿順時針方向一直轉(zhuǎn)下去。

分析數(shù)據(jù)：猜想與假設(shè)1是正確的。

[教師指導(dǎo)]

提出問題：關(guān)于電路的斷和通，還有其他辦法嗎？能否嘗試從線框方面想辦法？

[教師提示]

將引線的漆皮刮去，但要注意不能刮掉兩端的全部漆皮，而是一邊的全部被刮去，另一邊只能被刮去半周。由于只有前半周有電流，保證了線框前半周內(nèi)有動力，后半周內(nèi)線框沒有受力而只依靠慣性進行轉(zhuǎn)動。

收集數(shù)據(jù)2：在線框轉(zhuǎn)動的后半周，將U形磁鐵的磁極進行對調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動。

分析數(shù)據(jù)：猜想與假設(shè)2是正確的。

收集數(shù)據(jù)3：來不及也不方便及時改變電流方向。

分享反思：雖然三種方法都能夠讓線框?qū)崿F(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動，但是開關(guān)通斷和磁極對調(diào)這兩種方法很難實際操作，因此只能采用將漆皮刮去的方法。

3.3.4? ? 問題拓展

[教師展示] 雖然方法3即改變后半周的電流方向同學們無法進行操作，但實際上的電動機卻是根據(jù)這個原理來做成的，其關(guān)鍵部件是“換向器”。教師展示換向器實物，讓學生觀察其結(jié)構(gòu)，弄清電流換向的工程原理。

[發(fā)現(xiàn)問題] 工程上的電動機不采用我們猜想的方法1，這是為什么？

[思考交流] 方法1中，靠慣性線框進行后半周的轉(zhuǎn)動，由于動力不足，難以保證它能夠轉(zhuǎn)動完半周。工程設(shè)計上，應(yīng)該設(shè)法同步改變線框轉(zhuǎn)動的后半周的電流方向，即及時給電流進行“換向”，線框就能夠有力、平穩(wěn)地持續(xù)轉(zhuǎn)動下去了。

3.3.5? ? 總結(jié)交流

學生活動后進行課堂總結(jié)，教師可引導(dǎo)學生主要從知識獲得和體驗感兩方面進行總結(jié)與分享，一是理論知識“學到了什么”;二是分享小組合作的“動手體驗感悟”。筆者在上課時記錄到有的小組代表發(fā)言“我們組有些同學不太參與，成員之間沒有什么交流討論”，有的說“我們小組還是沒有讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動”等。學生的總結(jié)就是形成性評價，可以培養(yǎng)他們反思與歸納的能力，深化合作能力，從而獲得更多的小組榮譽感和成就感體驗。另一方面也有助于教師參考學生的交流分享對本節(jié)課的教學活動設(shè)計進行評估、反思與改進。

4? ? 教學反思

（1）非常具有STEM特色。將STEM中的S、T、E、M元素都涉及進去了，尤其“設(shè)計簡易電動機”所體現(xiàn)的技術(shù)元素更是其亮點。發(fā)現(xiàn)問題，分析原因，解決問題，最終制作出能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動的簡易電動機，體現(xiàn)了STEM與探究的融合，是一堂典型的探究型STEM教學課例。

（2）PBL模式的典型應(yīng)用。該活動將連續(xù)的4個具有邏輯性的問題及其解決過程作為教學的主線，體現(xiàn)了PBL教學的基本理念。學生發(fā)現(xiàn)“電動機不能進行持續(xù)轉(zhuǎn)動”這一問題后，分析出了問題的原因，通過小組合作交流找到了解決問題的辦法，最后制作成了簡易電動機。

（3）具有遷移性和示范性。該次探究活動為后續(xù)的“制造型STEM”教學活動奠定了知識和技能基礎(chǔ)，教師可以讓學生嘗試從制作“簡易走馬燈”再到制作“電動走馬燈”，從而逐漸過渡到制造型STEM教學活動。

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（欄目編輯? ? 賈偉堯）