STEAM 教育理念融入高中物理課堂教學的實踐研究

文| 鄢易行

在學科融合的教育背景下，傳統(tǒng)“灌輸式”的教學模式已經(jīng)無法滿足學生的發(fā)展需要，這是學生對物理知識不感興趣的主要原因之一。STEAM 模式通過將科學、技術(shù)、工程、數(shù)學、藝術(shù)相結(jié)合，讓教師產(chǎn)生新的教學思路，讓教學方法更科學、更合理?；诖?，文章以高中物理為研究對象，簡述了STEAM 模式，分析了利用STEAM 開展物理教學的意義，最后以案例的方式對STEAM 理念融入物理教學進行了深入的研究，期望文章的討論與研究能夠給有關(guān)工作者提供借鑒和參考。

一、STEAM 概述

STEAM 是科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學的英文首字母。實際上，STEAM 教育就是跨知識融合的一種教學理念，從融合視角對知識展開分析，可以提升學生的認知，再借助合理的教學手段深化學生對物理知識的理解，實現(xiàn)對學生物理品質(zhì)的培養(yǎng)。STEAM教育理念還強調(diào)以學生的認知為基礎(chǔ)，幫助學生優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，在整合新舊知識的過程中對知識產(chǎn)生更深層次的認識。所以，在保證物理課程正常教學的前提下，如何將STEAM 教育理念融入物理課堂教學，是擺在教師面前的重要問題。教師只有立足整體視角，積極創(chuàng)新教學模式，才能讓學生在學習的道路上走得更遠。

二、STEAM 教育理念的內(nèi)容

（一）科技融合化

在全新的理念背景下，STEAM 強調(diào)淡化學科界限，融合各學科知識解決現(xiàn)實問題。物理教學要以知識為背景，適當?shù)厝谌肟茖W技術(shù)，如萬有引力定律與航天技術(shù)、機器人與虛擬現(xiàn)實技術(shù)和物理傳感器的關(guān)系。另外，物理學習可引入與學生生活相近的科技產(chǎn)品，如智能掃地機器人、智能燈等，讓學生體會到物理知識給生活帶來的便利，為學生科學素養(yǎng)的提升奠定堅實的基礎(chǔ)。[1]

（二）工程技術(shù)應用化

在眾多的工程領(lǐng)域，物理學起著先導的作用。以物理原理為基礎(chǔ)，分析其在工程技術(shù)中的應用可以不斷豐富課程資源，同時提升學生的工程意識，如力學原理與工程技術(shù)、機械波與聲學技術(shù)、電磁理論與電磁技術(shù)等。以物理原理分析工程技術(shù)案例，可以強化學生的工程意識。

（三）物理人文化

物理學家霍金曾說：“物理是一門最基礎(chǔ)的關(guān)于自然的學問，是最具詩意的科學?！爆F(xiàn)行的物理教材中有著豐富的人文素養(yǎng)內(nèi)容，如牛頓三大定律反映了一種自然之美；“溫度、壓強、速度與能量”是自然語言的再現(xiàn)；物理學家為了追求真理，不畏權(quán)勢、刻苦鉆研的高貴品質(zhì)等。教師將其滲透于物理教學中，不僅滋潤著學生的心靈，還提升了學生的文化品位。

（四）物理與數(shù)學融合化

數(shù)學是一切自然學科的基礎(chǔ)，在物理學習中主要表現(xiàn)為概念、規(guī)律、問題解決等。如研究牛頓經(jīng)典力學就會遇到矢量分析；運動學中加速度的計算就會用到導數(shù)知識；行星運動規(guī)律的研究中可能涉及圓的基本幾何性質(zhì)；光的傳播、機械波、交流電部分又會涉及函數(shù)增減性的知識等。在物理教學中，指導學生利用數(shù)學解答問題，不僅強化了學生的數(shù)學思維，還為學生解決問題提供了有力的工具。[2]

三、STEAM 教育理念融入高中物理課堂教學的實踐研究

STEAM 是多門學科融合的教育，通過學科知識的整合，可以為學生創(chuàng)設一個真實、富有畫面感的物理情境，在學生的生活經(jīng)歷、問題分析中提升自身的能力。在教學改革的持續(xù)發(fā)展下，學生物理核心素養(yǎng)提升受到了關(guān)注。要想達成這一目標，教師就要加大教學研究的力度，以STEAM 教育理念的融入為契機，有意識地將其融入高中物理課堂教學的各環(huán)節(jié)中，一是可以改變傳統(tǒng)的教學模式，提高課堂的有效性；二是可以將學生內(nèi)在的能動性激發(fā)出來，以促進物理教學質(zhì)量與效率的穩(wěn)步提升。

（一）科學在高中物理教學中的滲透

1.讓學生經(jīng)歷科學知識形成的過程

在學科知識學習中，只有讓學生經(jīng)歷人類思想發(fā)展的過程，才能實現(xiàn)他們的再創(chuàng)造。學生應主動探索物理的發(fā)生原因、發(fā)展過程，進而明確物理的發(fā)展方向。[3]比如，在魯科版“庫侖定律、安培力及其應用、法拉第電磁感應定律”的學習中，教師可以帶領(lǐng)學生重走科學家的研究之路，在真實問題中產(chǎn)生更深的分析與思考，在實驗探究中探尋規(guī)律，掌握知識。

2.物理學史在教學中的滲透

任何一個物理概念的提出，任何一個物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是一段物理發(fā)展的過程，這一過程蘊含著豐富的物理思想。因此，在某個物理概念的教學中，教師要事先準備好資料，帶領(lǐng)學生一起了解物理科學家的故事。教師加強物理學史在物理課堂的滲透，不僅可以豐富學生的物理知識，還有效提升了學生的科學素養(yǎng)。

（二）技術(shù)在高中物理教學中的滲透

1.開發(fā)技術(shù)課程內(nèi)容

教師指導學生利用物理原理分析工程技術(shù)，開發(fā)和應用與課程內(nèi)容有關(guān)的技術(shù)問題，有助于學生綜合能力的提升。如在魯科版“大顯身手的傳感器”的學習中，教師播放“網(wǎng)紅樓道燈”的視頻，學生驚奇于此燈不需要開關(guān)，聽到腳步聲就能亮起，但白天光線充足時，即使有腳步聲燈也不亮。教師指導學生以小組為單位對“樓梯燈聲控系統(tǒng)”進行設計，首先，教師引導學生分析樓道聲控燈的基本原理，對用到的各個元器件進行介紹，如光敏電阻的阻值變化規(guī)律、駐極體話筒的電聲性能等，然后要求學生根據(jù)掌握的知識，在小組內(nèi)合作設計簡易版的“樓梯燈聲控系統(tǒng)”，最后以報告的方式提交上來。在這一過程中，技術(shù)設計、制作、探究、合作融合在了一起，有效提升了學生解決實際問題的能力。

2.巧用實驗室技術(shù)資源

現(xiàn)如今，眾多的高中物理實驗室已經(jīng)配備了與力、熱、光、電、磁等有關(guān)的設備，這些設備本身就蘊含著豐富的現(xiàn)代技術(shù)因素，如傳感技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等。教師只要合理運用這些資源，就可以讓學生體會到現(xiàn)代信息技術(shù)在學生物理學習中的價值，同時推動著學生知識向自身能力的轉(zhuǎn)化，并為學生物理核心素養(yǎng)的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。比如，在“磁場”的學習中，磁感應強度是一種看不到、摸不著的東西，學生理解起來很困難。為此，教師就要事先準備好磁感應傳感器、計算機和配套軟件，在課堂通過移動線圈內(nèi)的傳感器測量頭，借助計算機將不同位置下的磁感應強度記錄下來，就可以形成磁感應強度的圖像了，方便學生觀察與分析，由此深化對本節(jié)難點知識的理解。

（三）工程在物理教學中的滲透

當今的工程技術(shù)中涉及很多物理學原理，如浮力定律與混凝土澆筑、毛細現(xiàn)象與新型建筑材料、電子信息技術(shù)與通信工程等。同樣，工程技術(shù)也能促進物理學的發(fā)展，讓物理學從理論走向現(xiàn)實應用，促進學生對物理的認識更加深入，它必然會反映到物理教學的優(yōu)化與創(chuàng)新中來。教師依照物理內(nèi)容與學生的現(xiàn)實情況，可以選擇典型的案例。比如，在魯科版“力的分解”一課中，教師視頻引入古代智慧的結(jié)晶“趙州橋”，引起學生困惑：趙州橋歷經(jīng)1400 多年風雨，為何仍然屹立不倒？引導學生選取“第一塊石頭”為研究對象，進行受力分析，通過小組討論得出結(jié)論，既復習了石頭受到的重力、彈力等舊知識，又構(gòu)建了通往新知識的臺階。

（四）數(shù)學在物理教學中的滲透

1.用數(shù)學比值定義物理量

用數(shù)學比值定義物理量形式簡單，計算方便。在當下的物理學習中，反映物質(zhì)本質(zhì)的物理量常?？梢杂帽戎档姆绞絹矶x，如電磁強度為E、電容為C。而且對物體運動進行描述的物理量也?？梢圆捎脭?shù)學比值的方式定義，如加速度a、角速度ω。教師可以創(chuàng)設真實情境，讓學生在真實問題下自主摸索和思考，教師再進行引導、歸納與總結(jié)。

2.用數(shù)學方程表達物理定律

數(shù)學方程是助力學生解決物理問題的一種有效手段。因此，在實驗教學中，教師要指導學生以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用數(shù)學工具進行分析。例如，在“牛頓第二定律”的教學中，教師組織學生利用氣墊導軌開展實驗，運用控制變量法，在保持小車質(zhì)量一定的情況下，通過增減懸掛重物的質(zhì)量改變繩子拉力，利用打點計時器紙帶進行處理，得到多組力和加速度的數(shù)據(jù)，運用數(shù)學列表法和圖象法分析，得到加速度與合力大小成正比；而后保持拉力不變，用同樣的方法分析加速度與質(zhì)量的數(shù)據(jù)，得到加速度大小與物體質(zhì)量成反比，最后推導出牛頓第二定律的數(shù)學表達式。

3.利用數(shù)學解決物理問題

數(shù)學的分析法、函數(shù)法和圖象法在物理習題中都有重要應用，如追及相遇問題中，分析兩車恰好不相撞的條件，教師要引導學生畫圖分析：（1）追上時,位置相同，推導位移關(guān)系，列出含有時間的公式。（2）“恰好”表明速度要相同，列出速度—時間公式。教師引導學生用數(shù)學分析法聯(lián)立公式求解，也可以利用函數(shù)法中的求根判別式求解,還可以用v-t 圖象分析求解。本題解答，整體采用的是數(shù)學思路?？梢?，數(shù)學知識在學生解答物理題目時發(fā)揮著重要的作用。

（五）藝術(shù)在物理教學中的滲透

1.物理中的藝術(shù)之美

物理教材內(nèi)的藝術(shù)美比比皆是，如磁生電、電生磁的對稱美；能量守恒中體現(xiàn)的和諧之美；原子內(nèi)電子殼層分布的有序美；牛頓定律將天上、地下物體統(tǒng)一起來的統(tǒng)一之美。

2.物理中的自然之美

物理是一門自然學科，自然界中的很多現(xiàn)象都滲透著自然之美，如光學衍射實驗形成的彩色條紋、不均勻空氣在光的折射下形成的海市蜃樓。這都是物理自然之美的真實再現(xiàn)，可以激發(fā)學生探究物理的熱情。

四、STEAM 理念在高中物理活動融入中存在的問題以及優(yōu)化建議

因STEAM 理念在我國的應用還處于發(fā)展階段，在落實中還存在一些問題，首先是教師本身的專業(yè)問題。在知識儲備上，教師只對物理知識有一定的積累，對其他幾門學科知識只是簡單的了解，在跨學科整合中難度很大。其次，STEAM 理念是一種融合教育，甚至一些知識是全新的領(lǐng)域，所以需要學生花費一定的時間研究。要在規(guī)定的時間內(nèi)完成既定的教學規(guī)劃，這對教師提出了一定的要求。最后，教師要注意并非所有的物理知識都適用于STEAM 模式，若為了應用而應用，勢必會出現(xiàn)相反的效果。

根據(jù)上述存在的問題，文章提出了幾點優(yōu)化的建議：首先，建立一支綜合型、專業(yè)性強的師資隊伍。比如在高校師范生的培育中加入STEAM 理念，以不斷拓寬教師的視野。另外，要注重任職教師的可持續(xù)發(fā)展，讓教師時刻掌握前沿知識。其次，教師必須合理規(guī)劃教學時間，如實驗器材環(huán)節(jié)要提前準備好，讓學生在課前預習，這樣不僅可以解決課堂時間不足的問題，還能引導學生在好奇心的推動下進行探究。最后，可以建立物理興趣小組，在STEAM 理念的引領(lǐng)下，綜合課程的專業(yè)性、趣味性和實踐性，可以將育人的效果發(fā)揮到最大。

綜上所述，STEAM 作為一種跨學科教學理念，其在物理課堂的融入必須講究方式方法，切不可生搬硬套，這樣才能將其培養(yǎng)人才的價值發(fā)揮出來。對高中生來講，物理是他們學習的一門基礎(chǔ)課程，教師應以先進理念為支撐，積極優(yōu)化教學方法，不僅可以調(diào)動起學生的學習積極性，還能讓學生在自主參與中得到手、腦的鍛煉，為學生物理綜合能力的提升奠定堅實的基礎(chǔ)。在高中物理教學中，教師踐行STEAM理念，可以展現(xiàn)出形式多樣的物理活動，可以推動物理教學的有序開展，可以讓學生在夯實基礎(chǔ)的同時提升自身的創(chuàng)新能力。因此，在今后的物理教學中，教師要樹立起融合的理念，加強物理知識與其他學科的融合，為學生跨學科學習奠定堅實的基礎(chǔ)。