基于STEM 教育的物理學習：STEM教育與傳統學科融合的一種嘗試

鮑建中

一組數據顯示，浙、滬兩地新高考物理學科“遇冷”——2017年高考浙江全省有29.13萬考生，但是選考物理的只有8萬人；在上海，實行新高考改革第一年，選擇物理科目的考生也僅占總人數的30%。除了其他一些原因，學生對物理學科缺乏興趣也是物理學科“遇冷”的重要原因。如何激發傳統學科的活力，引發學生的學習興趣，是每一個傳統科學學科需要思考的問題；另一方面，STEM教育如何利用傳統學科的優勢和資源打牢根基，也是人們在推廣STEM教育時應該思考的問題。筆者認為基于STEM 教育的物理學習是STEM教育與傳統學科融合的一種嘗試，也是一種相得益彰的路徑。

物理學研究的是所有物質最基本的運動規律，是其他自然科學的基礎。在人們探索物理規律并運用這些規律的過程中，飽含了豐富的探索研究問題的科學方法與智慧，為了讓學生在經歷知識建構的同時掌握科學方法養成科學思維的習慣，現代物理學習特別提倡做中學、玩中創的教育理念。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 教育的物理學習方式，對實現提升科學素養的教育目標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合點，我們結合全日制義務教育物理課程標準和收集到的STEM教育的相關資料進行以下簡單的比較。

國際上普遍認為，基本科學素養的主要內涵包括三個方面：（1）對科學知識（科學術語和科學基本觀點）；（2）科學方法；（3）科學技術及其對社會和個人所產生的影響。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習目標幾乎是一致的，只是STEM教育更側重于實踐和問題的解決，物理教育則側重于物理知識的建構和探究。但隨著社會的發展和物理教育理念的轉變，物理學習不再是單純的證實或證偽的知識學習，而是更加關注知識的建構過程，即從生活常見的現象入手發現提出可探究的問題，進而開展科學探究自主建構知識，然后運用所獲知識解決實際問題，甚至創新設計制作出有一定實用價值的器物。在整個學習過程學生就像科學家一樣經歷著問題的提出、探究方案的設計、實驗探究、科技創新，體驗者科學探索的艱辛和興奮。其中既有科學知識的學習建構，又有在知識學習的基礎上運用技術、工程和數學的創新和實踐，所以，從某種程度上說物理學有著豐富的STEM教育素材，物理學習過程應該是更完整的STEM教育。正如法拉第發現電磁感應進而發明電動機，瓦特看到壺蓋跳動進而改良蒸汽機，這些科學家從發現到發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的融合才是真正的物理學習！

基于STEM教育的物理學習設計

基于STEM教育的物理學習實質就是更加注重學生實踐的學習，在物理學習的過程中融入工程、技術和數學相關內容，倡導問題導向、任務驅動、做中學、玩中創的學習理念，學生學到的不只是物理概念、規律、方法、科學思維，不再只是滿足好奇心，而且還有他們自己的創新發明成果（創新實驗方案、自制教具、小發明、小創造等），讓學生看到的是完整的真實物理，體驗到物理學的發展對人類社會的進步產生的巨大作用。為了達到以上的教學效果，主要做了以下工作。

確定研究問題，形成校本教材

物理學有自身較為完整的知識體系，教材的編寫一般也是按照這一體系編寫的，在學習的過程中通常從最基礎的知識開始，逐步完善，最后形成完整的知識體系，即從局部到整體的學習，其優點是每一知識點的問題較小、困難小、便于學生理解，但是學后學生往往會產生“為什么要學習這些知識”“學后這些有什么用”的疑惑，造成目的不明確、被動學習的結果，不太適合開展STEM教育。因此我們嘗試整合了現有物理教材，逐步形成適合開展STEM教育的校本教材。首先確定學習主題提出明確的研究問題，布置課題任務，提供相應的器材和材料，小組成員合作完成任務，反饋交流任務成果，改進完善成果。以內燃機的學習為例，教材編寫主要突出以下幾個環節。

1.主題任務：認識內燃機及其工作原理；

2.做一做：利用一次性注射器、壓電陶瓷點火器、酒精等器材制作一個酒精槍；

3.議一議：注射器的活塞為什么會被打出去？

4.想一想：要想使活塞再次發射出去，應該解決哪些問題？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模型；

7.我最棒：展示介紹自己的任務成果，分享學習收獲。

我們認為STEM教育教材的編寫，應該使學生對主題任務有一個整體了解，然后為了完成任務將主題任務分解為一個個需要解決的問題，在問題解決的基礎上達到提升科學素養的目的。在學習中學生經歷的是從整體到局部，再由局部到整體的認知過程，更有利于學生帶著問題和任務有目的地學習，學生學習動力更足、成就感更強。

激發學習興趣，保護培育好奇

初中生已經具備了基本的數理推導、圖形設計的相關知識以及小學科學基本知識，他們對生活中眾多的物理現象充滿了好奇。神奇的有趣的現象、具體實在的器具，制作、設計、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力，教師的工作就是要激發出他們腦子中更多的問題，讓他們的好奇心求知欲長存。為此基于STEM教育的物理學習設計中的資源選取要特別注重趣味性和參與性，讓每一位學生利用簡單的器材都夠完成，并從中學到知識掌握方法。

比如在摩擦力主題學習時，可以在學生體驗環節上設計“直繩提瓶（一根沒有打結的繩子，插入瓶中后翻轉后再正過來，拉住繩子瓶子不會落下。）”“落、停自如的小球（一根細繩從球中穿過，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，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，結果男生竟輸給了女生！）”“抓碗比賽（兩只相同的碗倒扣在桌面上，讓一位大力士男生與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，讓學生在做中認識摩擦力，在玩中體驗摩擦力，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立的四個螺母，再將繩子的中間掛在鉤子上，交替拉動繩兩端，木板自動上行。）”。

問題引導學習，任務驅動發展

提出可探究的科學問題不僅可以看出一個人的科學素養水平，也是科學研究和學習的開始，所以基于STEM教育的物理學習應特別關注激發學生的問題。通?？梢圆捎妙惐?、逆向思維、神奇的現象引導學生提出問題，比如可以類比機械能幫助學生建立內能的概念，并提出“物體內能與分子運動速度有什么關系？”等問題；奧斯特實驗說明了電流周圍有磁場，運用逆向思維，便可提出“利用磁場能產生電流嗎？”；通電后喇叭可以發聲，老師將喇叭接入擴音器的話筒插口，再對著喇叭說話，擴音器竟發出了說話聲！這種神奇的現象激發出學生強烈的探究欲望。

STEM教育最突出的特點就是要解決具體問題，所以，在提出問題的基礎上，創新設計實驗方案、探究物理規律，運用規律開展發明創新都是具體問題，用這些任務驅動學生學習會使他們感到學而有物、學而有果，讓他們真切體驗到成功的愉悅從而樹立自信。比如，在電磁作用主題中，學生利用飲料瓶、磁鐵和線圈制作了揚聲器，還有的同學將磁鐵隱藏起來，線圈繞在硬紙板面上，當連接音箱的硬紙板靠近磁鐵時，紙板便會“唱歌”！做成了一個名副其實的魔術道具。

基于STEM教育的物理學習前景

融入STEM教育的物理學習是對當前物理教與學的嘗試和探索，是在杜威的“做中學”教育思想基礎上的教育實踐的研究，這種物理學習方式最大現度地保持了學生的好奇心，發揮了學生的主體作用，給予了學生充分的學習、創新空間，有利于學生科學素養的提升和個性發展。更加令人高興的是，各地的中高考物理試題也正朝著開放、創新、實踐性更強的方向改進，必將會有力地推動STEM教育在物理學習過程中的融合與發展！

作者單位：北京教育學院附屬豐臺實驗學校分校endprint