STEM理念下單擺運(yùn)動(dòng)的教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

徐馮娟 張棉好 劉華北 金海榕 陳俊元

（浙江師范大學(xué) 浙江金華 321004）

物理學(xué)是人類最基本的工具之一，作為人類探索大自然規(guī)律和奧秘的手段，對人類社會發(fā)展起到了重要作用。在高中階段，物理是一門對學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造思維要求較高的學(xué)科。同時(shí)，高中時(shí)期也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新習(xí)慣的最好時(shí)期。當(dāng)前物理教學(xué)中，以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。為改善傳統(tǒng)的教學(xué)現(xiàn)狀，增強(qiáng)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生積極獨(dú)立思考的習(xí)慣，訓(xùn)練學(xué)生自主創(chuàng)新的思維，課題組提出在物理課堂上運(yùn)用STEM教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)探索與實(shí)踐。

一、STEM教育及STEM理念

（一）STEM教育及應(yīng)用現(xiàn)狀

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間存在著一種相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展的關(guān)系[1]。

我國的STEM教育發(fā)展尚處于起步階段，國內(nèi)STEM教育尚未形成完整的理論體系和操作性強(qiáng)的課內(nèi)外結(jié)合模式。在實(shí)踐層面，其又受到科學(xué)教育基礎(chǔ)薄弱，區(qū)域間發(fā)展不平衡，課內(nèi)教育與課外教育未能協(xié)調(diào)發(fā)展，課內(nèi)科學(xué)教育和課外科技活動(dòng)脫節(jié)；科學(xué)教育資源不足，分布不均，利用不充分；科學(xué)教師專業(yè)能力亟需提升，科學(xué)教師兼職比例大，非理科專業(yè)居多，科技輔導(dǎo)員和科技教師在學(xué)校被邊緣化等因素的影響。這些現(xiàn)狀都制約或誤導(dǎo)了我國的STEM教育的發(fā)展[2]。

（二）STEM的核心理念

STEM這門跨領(lǐng)域的學(xué)科將原本分散的四門學(xué)科集合成一個(gè)整體，分別代表著科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)四門素養(yǎng)。這不是簡單的學(xué)科之間的疊加，而是要將四門學(xué)科內(nèi)容組合成有機(jī)整體，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。STEM教育模式可以培養(yǎng)學(xué)生的知識和技能，并且靈活遷移應(yīng)用，解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，以融合跨學(xué)科、趣味性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性、增強(qiáng)性等[3]。

二、基于STEM理念得單擺運(yùn)動(dòng)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（一）單擺運(yùn)動(dòng)在課程中的地位及教學(xué)的基本內(nèi)容

本次課以“驗(yàn)證周期T公式”為主線，采用小組交流合作的學(xué)法，在學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的同時(shí)，將STEM的四個(gè)方面滲透到教學(xué)的整個(gè)過程：

1.在科學(xué)層面上，學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)方案，并且掌握牛頓第二定律、轉(zhuǎn)動(dòng)定理、能量守恒定律、簡諧運(yùn)動(dòng)的知識等，達(dá)到學(xué)以致用、活學(xué)活用的教學(xué)效果；

2.在技術(shù)層面上，如何讓擺錘擺動(dòng)時(shí)的阻力最小、擺動(dòng)時(shí)間更長、擺動(dòng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定？這些問題都需要在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制作大擺錘時(shí)注意，并得到解決；

3.在工程層面上，從學(xué)習(xí)原理到提出質(zhì)疑，再到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最后得出結(jié)論，需要完整的工程設(shè)計(jì)流程。學(xué)生需要將每個(gè)環(huán)節(jié)緊密連接，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷地實(shí)踐檢驗(yàn)。

4.在數(shù)學(xué)層面上，需要運(yùn)用計(jì)時(shí)器、尺子、量角器、磅秤等度量工具，用來計(jì)算大擺錘的具體參數(shù)。

（二）基于STEM理念的教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

基于STEM理念實(shí)施教學(xué)，能融合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)方面的內(nèi)容于一體，可以培養(yǎng)學(xué)生的知識運(yùn)用及創(chuàng)新能力。基于STEM理念，課題組針對物理課的“單擺運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，具體如表1所示。

表1 基于STEM理念的“單擺運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

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三、教學(xué)設(shè)計(jì)反思

在STEM理念下的物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，課題組發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)教學(xué)不同的是，STEM教學(xué)打破了固有的單一學(xué)科模式，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合，將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)融入課堂中。我們引導(dǎo)學(xué)生從制作大擺錘中探索科學(xué)原理（牛頓第二定律、能量守恒、簡諧運(yùn)動(dòng)、空氣阻力等）；通過小組討論思考：大擺錘的本體材質(zhì)? 本體與放置架應(yīng)該怎樣固定? 擺錘的安裝位置應(yīng)該注意什么? 擺動(dòng)的幅度多大合適？ 繩長選取的范圍多少合適? 擺動(dòng)過程中如何使其穩(wěn)定? 制作的過程中用到哪些工具？等技術(shù)問題；從實(shí)驗(yàn)原理到技術(shù)思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的工程流程，再通過實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)記錄問題，及時(shí)調(diào)整；最后，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維和數(shù)據(jù)，通過擺動(dòng)周期計(jì)算出理論值，做實(shí)驗(yàn)得出實(shí)際值，并通過不斷地選取不同物理量，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，繪制誤差曲線，反應(yīng)出制作大擺錘的質(zhì)量。整堂課從解決學(xué)科本身出發(fā)，遷移解決實(shí)際問題。

整個(gè)過程，循序漸進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，給予了學(xué)生充分的自我創(chuàng)造空間和發(fā)揮空間。這不僅激發(fā)學(xué)生對探索的欲望，還培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，給枯燥難懂的物理學(xué)科增添了許多樂趣，提高了學(xué)生對物理學(xué)科的熱愛。在完成上述的教學(xué)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們還潛移默化地鍛煉了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)，從而為培養(yǎng)綜合性人才奠定了基礎(chǔ)。