STEAM教育理念下初中物理 項目式教學(xué)的實施路徑及案例分析

楊珍珂 趙建偉 賈偉堯

摘? ?要：在初中物理學(xué)科教學(xué)中融入STEAM教育理念可以為學(xué)生思維和能力發(fā)展提供有效途徑。但針對該理念的本土化探索目前仍缺乏兼具適用性和參考性的課堂教學(xué)實施路徑。文章以“坐位體前屈測試儀的改進(jìn)與自制”為例，討論了將STEAM教育理念應(yīng)用于初中物理項目式教學(xué)活動的設(shè)計流程及案例。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;初中物理;項目式教學(xué);學(xué)科融合

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0073-4

近年來，將STEAM教育理念本土化的研究受到越來越多研究者的關(guān)注。目前，我國較成熟的STEAM教育本土化實踐成果主要集中在學(xué)校校本課程開發(fā)、創(chuàng)客教育等領(lǐng)域，該教育理念與學(xué)校必修學(xué)科課程的聯(lián)系尚不夠緊密。為進(jìn)一步深入探索STEAM教育與學(xué)科必修課程的融合實踐，筆者嘗試將該理念融入初中物理課堂教學(xué)，整合物理學(xué)科教學(xué)要素和STEAM教育特點，設(shè)計并實施項目式教學(xué)活動。本文以“坐位體前屈測試儀的改進(jìn)與自制”教學(xué)活動為例，闡述基于STEAM教育理念的初中物理項目式教學(xué)設(shè)計流程及案例。

1? ? STEAM教育及其實施方式選擇

STEAM教育理念提倡整合現(xiàn)行學(xué)校教育中的不同學(xué)科，形成與真實生活化情境密切聯(lián)系的學(xué)習(xí)主題進(jìn)而開展教學(xué)。它重視引導(dǎo)學(xué)生從多學(xué)科、多視角認(rèn)識和改造世界，強調(diào)了跨學(xué)科整合教學(xué)的情境體驗趣味性、活動設(shè)計藝術(shù)性、交流協(xié)作流暢性等[1]。

STEAM教育的實施方式主要有基于項目學(xué)習(xí)的教學(xué)法（Project-Based Learning）、基于設(shè)計學(xué)習(xí)的教學(xué)法（Learning By Design）和基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)法（Problem-Based Learning）等[2]。其中，基于項目學(xué)習(xí)的教學(xué)法通常以源于生活的實際問題為出發(fā)點，強調(diào)通過學(xué)習(xí)活動實現(xiàn)問題解決，并在學(xué)習(xí)結(jié)束時提供平臺展示學(xué)生學(xué)習(xí)成果[3]。我們歸納了該教學(xué)法的構(gòu)成元素及要點，如圖1所示。考慮到初中生現(xiàn)有的思維認(rèn)知能力和心理發(fā)展特點，在初中物理教學(xué)中采用項目學(xué)習(xí)的教學(xué)法更有助于充分發(fā)揮STEAM教育優(yōu)勢，挖掘?qū)W生個人潛能[4]。

2? ? 教學(xué)設(shè)計流程

STEAM教育理念提倡構(gòu)建真實情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以驅(qū)動問題引入學(xué)習(xí)主題[5]。教師在設(shè)計教學(xué)活動時，首先需要根據(jù)授課知識內(nèi)容和目標(biāo)相機行事，并充分考慮實施過程的安全性與可操作性，精準(zhǔn)遴選出符合初中學(xué)生認(rèn)知特點和能力水平的生活化教學(xué)項目。

整合初中物理探究性教學(xué)活動要素及項目式教學(xué)活動的一般實施流程，筆者設(shè)計了基于

STEAM教育理念的初中物理項目式教學(xué)流程，如圖2所示。在設(shè)計具體項目的教學(xué)內(nèi)容時，教師可以以之為參考設(shè)置教學(xué)活動環(huán)節(jié)，并結(jié)合學(xué)生實際學(xué)情豐富教學(xué)細(xì)節(jié)。

3? ? 基于STEAM教育理念的初中物理項目式教學(xué)案例

3.1? ? 項目背景

坐位體前屈測試儀是本地區(qū)體育學(xué)科的常用教學(xué)設(shè)備，但學(xué)校現(xiàn)有的老式測試儀卻因自身結(jié)構(gòu)原因影響教師便捷、高效地獲取學(xué)生測試數(shù)據(jù)。本教學(xué)項目以學(xué)生熟悉的真實生活情境為切入點，引導(dǎo)他們利用已學(xué)物理知識，輔以數(shù)學(xué)知識和工程技術(shù)手段，對老式測試儀進(jìn)行改造并自制新型坐位體前屈測試儀，以幫助體育老師解決現(xiàn)有測試儀在使用中存在的測距效率不高、讀數(shù)不便等問題。

3.2? ? 教學(xué)流程框架圖

為了促進(jìn)九年級學(xué)生對所學(xué)電學(xué)和力學(xué)知識的理解與內(nèi)化，進(jìn)一步發(fā)展其實驗探究能力，同時給予他們適度的創(chuàng)新創(chuàng)造空間并提供學(xué)以致用的平臺，本項目式教學(xué)活動將老式坐位體前屈測試儀的改進(jìn)作為學(xué)生學(xué)習(xí)主線，基于上文提到的項目式教學(xué)設(shè)計流程確定了如圖3所示的教學(xué)環(huán)節(jié)。

STEAM項目式教學(xué)活動聚焦真實問題解決，學(xué)生通過跨學(xué)科知識整合達(dá)成這一目標(biāo)。因此，筆者集合學(xué)校實驗室現(xiàn)有資源并根據(jù)學(xué)生學(xué)情設(shè)計、打磨教學(xué)環(huán)節(jié)，預(yù)設(shè)教學(xué)活動中涉及到的STEAM要素，具體見表1。

3.3? ? 教學(xué)過程

（1）趣味導(dǎo)入：設(shè)置驅(qū)動問題激發(fā)學(xué)生興趣

播放《體育老師的煩惱》小記者校園采訪片段，設(shè)置生活化的驅(qū)動問題：“你能嘗試?yán)盟鶎W(xué)物理知識改進(jìn)老式坐位體前屈測試儀嗎？”以設(shè)疑的方式驅(qū)動學(xué)生積極投身學(xué)習(xí)活動，培養(yǎng)其具有用科學(xué)服務(wù)社會、改造世界的理念。

（2）學(xué)生活動：初步設(shè)計坐位體前屈測試儀電路

STEAM教育一貫重視學(xué)生的科學(xué)精神培養(yǎng)，強調(diào)其動手實踐能力的發(fā)展。為引導(dǎo)學(xué)生利用科學(xué)方法探索問題，學(xué)生活動可參照如下三個步驟開展：

①引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實物和日常使用經(jīng)驗討論分析老式坐位體前屈測試儀的工作原理，通過類比方法建立起測試儀滑塊與物理電學(xué)常用元器件——滑動變阻器間的聯(lián)系。

②給予學(xué)生機會獨立自選實驗器材，初步設(shè)計電路并繪制電路圖。

③組織學(xué)生小組合作討論，總結(jié)不同方案的利弊，選擇適合的電路設(shè)計方案。

學(xué)生初步設(shè)計出的電路圖可歸為如下三類：有學(xué)生計劃使用電流表測電路中的電流，將滑片移動的距離值轉(zhuǎn)換為電流值讀出，如圖4（a）;還有一些學(xué)生計劃使用電壓表測滑動變阻器兩端的電壓或定值電阻兩端的電壓，如圖4（b）和圖4（c），亦即將滑片移動的距離值轉(zhuǎn)換為電壓值。

（3）頭腦風(fēng)暴：保證電路安全，優(yōu)選器材參數(shù)

考慮到實際的使用需求和電路安全，學(xué)生需要選定電學(xué)元器件詳細(xì)參數(shù)。教師根據(jù)授課班級的學(xué)情，通過追問的方式引導(dǎo)學(xué)生從實際出發(fā)選取元器件參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)目前電路設(shè)計存在的不

足。教師有意識地培養(yǎng)他們的思辨能力，鼓勵其

既能言之有理地陳述個人看法，又能敏銳識別并敢于質(zhì)疑不正確的觀點，且能言之有據(jù)地提出修正意見。

（4）學(xué)生實驗：考慮代數(shù)關(guān)系，優(yōu)化電路設(shè)計

①學(xué)生連接電路開始實驗測量，記錄滑動變阻器滑動距離L與電表示數(shù)U（或I）的關(guān)系。

②引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)圖像法，發(fā)現(xiàn)L和U（或L和I）之間可能存在的關(guān)系。

③學(xué)生小組討論：優(yōu)化電路設(shè)計，改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)。

④學(xué)生重新連接電路，收集實驗數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)間存在的預(yù)期關(guān)系。

⑤學(xué)生依據(jù)上步實驗收集的數(shù)據(jù)，更換電表。

STEAM項目式教學(xué)活動打破了學(xué)科界限，重視引導(dǎo)學(xué)生以多視角思考問題，為學(xué)用相長提供了不可多得的契機。為直觀地反映數(shù)據(jù)間的關(guān)系，教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)圖像法描點作圖。在作圖過程中他們很容易發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)圖反映的電學(xué)量和距離量的關(guān)系與預(yù)期的線性關(guān)系不符。為幫助學(xué)生突破探究瓶頸，教師可建議再回到電路設(shè)計環(huán)節(jié)，將各物理量的關(guān)系公式化推出，從理論上確定滑動變阻器阻值與電表示值間表現(xiàn)為非線性關(guān)系的原因。因此，現(xiàn)有設(shè)計方案需要進(jìn)行再設(shè)計、再優(yōu)化，以保障電學(xué)量和距離量的線性關(guān)系。圖5是學(xué)生小組合作完成優(yōu)化并最終確定的電路圖。

（5）匠心造物：改造測試儀硬件結(jié)構(gòu)

本環(huán)節(jié)將創(chuàng)新思維融入到課堂教學(xué)情境，不僅增強了學(xué)習(xí)過程的情境性，還為學(xué)生個性化創(chuàng)造能力發(fā)展提供了充足的空間。學(xué)生利用工程技術(shù)手段設(shè)計并實施測試儀結(jié)構(gòu)改造，難點在于解決支架模塊的力學(xué)穩(wěn)定性問題。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)注意引導(dǎo)各學(xué)習(xí)小組充分考慮測試儀力學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并設(shè)計各個器件的模塊結(jié)構(gòu)，再根據(jù)實際需求選擇材料制作測試儀踏板、支架和底座等，使用簡單工具（如螺絲刀）對選用的原材料進(jìn)行改裝、打磨等工序并完成組裝工作。在教學(xué)實踐過程中，為保障新型測試儀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用便利性，部分學(xué)生利用實驗室已有原材料改造成測試儀踏板、支架及連板，還在連板背面上用釘子制作了卡扣;有學(xué)生在支架板正面為滑動變阻器量身定制了卡槽，既能保證裝置部件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又保證了拆卸簡易快速且攜帶方便。

（6）美學(xué)滲透：包裝、美化粗加工完成的新型測試儀

STEAM項目式教學(xué)活動不僅促進(jìn)了學(xué)生知識與技能的發(fā)展，還促進(jìn)了學(xué)生審美能力的提升。考慮實際使用的便利性、舒適性和美觀性，學(xué)習(xí)小組內(nèi)各個成員還需分工協(xié)作，合理排布電路主體模塊和其他模塊，并進(jìn)一步對粗加工制作完成的新型測試儀進(jìn)行包裝和美化。

（7）分享成果：展示與評價

學(xué)習(xí)小組間開展學(xué)習(xí)成果展評活動，邀請體育老師和同學(xué)一起檢測新型測試儀的工作效果，從測試精度、外形美觀程度、制作工藝的技術(shù)難度等多方面對研究成果進(jìn)行量化評比。學(xué)習(xí)小組內(nèi)部各成員分工協(xié)作，收集、研究各方評價意見，綜合評測產(chǎn)品便利性、舒適度及美觀性，進(jìn)一步完善作品功能（如圖6）。

4? ? 評價與反思

以上案例將STEAM教育理念滲透入初中物理課堂教學(xué)，以真實情境為基礎(chǔ)開展項目式教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生將不同學(xué)科知識整合、應(yīng)用到學(xué)習(xí)實踐中;課中迭代循環(huán)的探究過程鍛煉學(xué)生用科學(xué)思維發(fā)現(xiàn)、思考問題，培養(yǎng)他們以科學(xué)態(tài)度分析、解決問題的能力;各教學(xué)環(huán)節(jié)關(guān)注學(xué)生思辨能力的發(fā)展，鼓勵其與他人交流、分享。整個教學(xué)流程重視給予學(xué)生綜合所學(xué)知識合理創(chuàng)新的機會，發(fā)展了學(xué)生的個性化創(chuàng)造能力。教學(xué)活動雖然在一定程度上體現(xiàn)了STEAM教育特色，但是仍存在一些不足，如學(xué)生探究活動材料選擇的開放度不高、學(xué)生作品展示方式不夠豐富等，這些都需要在后續(xù)教學(xué)中進(jìn)一步完善。

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（欄目編輯? ? 李富強）